Vénülő csillagok: valós időben zajló csillagfejlődést mutattak ki magyar és ausztrál csillagászok

A csillagok élete nagyon lassan telik, a legtöbbször túl lassan ahhoz, hogy emberi léptékkel észlelni tudjuk az idő múlását egy-egy égitestnél. Ez alól legfeljebb a szupernóva-robbanások kivételek, de a legtöbb csillag sosem válik szupernóvává. A Naphoz hasonló csillagok jóval csendesebben érik el életük végét: néhány milliárd év után vörös óriáscsillaggá, majd végül planetáris köddé válnak, egy apró fehér törpecsillagot hátrahagyva. Ezt a történetet a csillagászok sok-sok különböző korú csillag megfigyeléséből és csillagmodellek kiszámolásából állították össze. Ugyanakkor nagyon nehéz ténylegesen is bebizonyítani, hogy egy-egy csillag ténylegesen is követi-e ezt az „átlagos” életutat.

A szakcikk megosztott első szerzői: Molnár László (MTA CSFK) az észlelési adatok feldolgozásáért, Meridith Joyce (ANU, Canberra, Ausztrália) a numerikus modellek számításáért felelt Forrás: MTA CSFK

Az MTA CSFK Csillagászati Intézetének munkatársai, Molnár László és Kiss László, az Australian National University posztdoktor kutatójával, Meridith Joyce-szal közös munkájukban azonban bizonyítékot találtak erre, kihasználva a kisebb csillagok életének vége felé zajló események láncolatát. A vörös óriástól a fehér törpe fázisig tartó, utolsó néhány millió év során a csillag már nem termel stabilan energiát. Időnként lökésszerűen megugrik a belsejében a magfúzió: ezek a „csuklások”, a termális pulzusok jelentős változásokat okoznak a csillag méretében és fényességében is, ráadásul nagyon gyorsan, évszázadok-évezredek alatt lezajlanak. Vagyis egy-egy ilyen termális pulzus akár észre is vehető néhány emberöltő alatt – ha tudjuk, hol és hogyan keressük a nyomait.

Az azonosításban nagy segítséget jelent, hogy ezek az öreg csillagok egyben változócsillagok is. A bennük gerjesztődő hanghullámok hatására pulzálnak is, vagyis ciklikusan összehúzódnak és tágulnak, egy év körüli periódusokkal. Ezeket a lassú, de nagyon feltűnő fényváltozásokat számos változócsillagban, köztük a T Ursae Minoris (T UMi) nevűben is már több mint egy évszázada nyomon követik profi és amatőr csillagászok. A névbeli hasonlóság ellenére két különböző jelenségről van szó, és a pulzáció az a nyomjelző, ami elárulhatja a termális pulzus beindulását. Ahogy ugyanis a csillag zsugorodni kezd, a hanghullámok hamarabb átérnek rajta, lerövidítve ezeket az éves ciklusokat.

A T UMi sokáig egy volt a számtalan másik változócsillag közül, de aztán, az 1980-as években rohamosan elkezdett csökkenni a periódusa. Ezt a gyors változást már a 2000-es évek elején összefüggésbe hozták egy esetleges termális pulzussal szegedi csillagászok, Szatmáry Károly, Kiss László és Bebesi Zsófia, de csak az utóbbi években jelentek meg olyan csillagfejlődési modellek, amelyek már alkalmasak arra, hogy segítségükkel a kutatók kellő pontossággal végigszámolhassák az eseményeket.

A T Ursae Minoris fényváltozásai az elmúlt közel egy évszázad során. A színskála a ciklusok periódusát jelzi: a csillag lényegében változatlanul működött kb. 1980-ig, majd a fényváltozás periódusa gyors csökkenésbe kezdett, a 2000-es évekre pedig már teljesen más formát öltött. Forrás: MTA CSFK

A magyar kutatók már régóta tervezték, hogy újabb adatok és feljettebb eszközök segítségével ismét megvizsgálják a csillagot. Kiss László elmondta: „A csillagok belső szerkezetét, fejlődését és rezgéseit a 2000-es évek második évtizedében korábban elképzelhetetlen részletességgel és pontossággal lehet modellezni, amit alapvetően a numerikus asztrofizika páratlan fejlődése tett lehetővé. A T Ursae Minoris elméleti értelmezése az utóbbi 4-5 évben vált lehetségessé, ezért a csillag vizsgálatai soha nem kerültek le teljesen a napirendről.” A türelem pedig meghozta gyümölcsét, az utóbbi tíz évben gyűjtött megfigyelések ugyanis kulcsfontosságúnak bizonyultak: kiderült, hogy egy második pulzáció is megjelent a csillagban. A két különböző hanghullám és elhangolódásuk megfigyelése a csillag zsugorodása során lehetővé tette, hogy sokkal pontosabban meghatározhassák, milyen csillaggal is van dolguk. A részletes fizikai modellezés kivitelezéséhez csatlakozott Meridith Joyce. Az együttműködés keretében a rendelkezésre álló legfejlettebb csillagfejlődési és pulzációs numerikus kódok segítségével reprodukálták a T UMi viselkedését. „Ugyan a csillagokat leíró elméleti modelljeink jelentős fejlődésen mentek át az utóbbi évtizedekben, továbbra is a kutatás élvonalát jelenti egy ilyen rövid evolúciós esemény ilyen precíz modellezése. Teljesen új szoftvereket és adatfeldolgozási eszközöket kellett kifejlesztenünk a munkához” – jellemezte a nehézségeket Joyce. A feladat bonyolultságát jól mutatja, hogy a csillagmodelleket arra találták ki, hogy a csillagok évmilliárdokban mért fejlődését kövesse végig, azt viszont 5-10 éves pontossággal kellett meghatározni, pontosan mikor számolják ki ez alatt az idő alatt a pulzációs periódusokat.

De a modellszámítások végül sikeresen igazolták, hogy a T UMi éppen egy termális pulzuson megy át, és az is kiderült, hogy a csillag a Nap tömegének kétszeresével született meg 1,2 milliárd évvel ezelőtt. Ez idáig messze a legpontosabb kor- és tömegbecslés egy ilyen, élete vége felé járó, egyedülálló csillagra.

A kutatók által számolt előrejelzések a T UMi közeljövőjét illetően: a fekete pontok a csillag mért pulzációs periódusát jelzik, a színes pontok modellszámítások, különböző kezdeti csillagtömegekkel. A legjobban illeszkedők 2060-70 tájára jósolják, hogy a csillag mérete és így a periódusa újra növekedni kezd majd. Forrás: MTA CSFK

A részletes modelleknek köszönhetően pedig nemcsak a csillag múltját, hanem a közeljövőjét is meg lehet jósolni: a kutatók arra jutottak, hogy a pulzus miatti zsugorodás összesen 80-100 évig, tehát még további 40-60 évig fog tartani, mielőtt a csillag mérete újra növekedni kezdene.

Ennek tesztelése pedig nagyon egyszerű: mindössze arra van szükség, hogy amatőr csillagászok újabb generációi kövessék a T UMi fényváltozásait.

Ráadásul a csillag vélhetően már az utolsó termális pulzusainál jár, és néhány tíz- vagy százezer éven belül fehér törpévé fog válni. „Kijózanító belegondolni, hogy a csillagokban még az olyan hirtelen események is, mint egy termális pulzus beindulása, évtizedekben mérhetőek. Vagyis egy teljes kutatói karrier is eltelhet, mire az előrejelzéseinket sikerül igazolni vagy megcáfolni. A T UMi-n mindenesetre rajta fogjuk tartani a szemünket a jövőben is” – tette hozzá a kutatást vezető Molnár László.

De a termális pulzus közvetlen megfigyelése nem csak azért fontos, hogy tesztelni lehessen velük a csillagok fejlődését leíró modelleket. Ezek az események ugyanis az egész univerzumot gazdagítják. Több könnyű és nehéz elem, mint a szén és nitrogén vagy az ón és ólom, nem szupernóvákban, hanem a T UMi-hoz hasonló, öreg csillagok mélyén keletkezik. Onnan egy-egy termális pulzus során keveredik fel a csillag felszínére, majd pedig apró porszemekké összeállva tud távozni a csillagszél szárnyán. Ezek a porszemek később bekerülhetnek a csillagok következő generációjának építőanyagába, amiből a csillagok körüli bolygók keletkezhetnek, és azokon szénalapú élet is létrejöhet.

Az eredményeket bemutató szakcikk az Astrophysical Journal szakfolyóiratban jelent meg, szabadon olvasható változata elérhető az arXivon. A kutatómunka az MTA Prémium posztdoktori kutatói program, valamint az MTA Lendület program LP2014-17 és LP2018-7 pályázatainak támogatásával jött létre.

A címlapképen egy másik, a T UMi-hoz hasonló öreg csillag látható, amelynél a Hubble űrtávcső sikeresen megörökítette az égitesttől távolodó porfelhőket. Forrás: ESA/Hubble, NASA, H. Olofsson (Onsala Space Observatory)