Po 50 latach rozwiązano zagadkę niezwykłego promieniowania gwiazdy γ Cassiopeiae

Międzynarodowy zespół astronomów rozwiązał jedną z najdłużej nierozwiązanych zagadek współczesnej astrofizyki. Chodzi o nietypowe promieniowanie rentgenowskie emitowane przez gwiazdę γ Cassiopeiae (γ Cas), które od lat 70. XX wieku budziło zdumienie naukowców. Nowe badania dostarczają pierwszych bezpośrednich dowodów wyjaśniających to zjawisko.

Czym jest γ Cassiopeiae i dlaczego przyciąga uwagę naukowców?

γ Cassiopeiae, widoczna na północnym niebie w charakterystycznym gwiazdozbiorze Kasjopei, była pierwszą zidentyfikowaną gwiazdą typu Be – odkrycia tego dokonał w 1866 roku włoski astronom Angelo Secchi. Obiekt ten należy do rzadkiej klasy gorących gwiazd o bardzo szybkim obrocie i specyficznych właściwościach widmowych.

To podolbrzym o temperaturze powierzchni sięgającej około 30 tysięcy kelwinów – dla porównania, temperatura powierzchni Słońca wynosi około 5800 K. Gwiazda ma masę około 20 razy większą od Słońca i promień dziewięciokrotnie większy. Znajduje się na etapie ewolucji, w którym kończy spalanie wodoru w jądrze i stopniowo przechodzi w fazę olbrzyma.

Charakterystyczną cechą γ Cas jest jej bardzo szybka rotacja – prędkość na równiku sięga około 400 km/s, co stanowi blisko 70 proc. wartości krytycznej, przy której gwiazda mogłaby się rozpaść. W efekcie wokół jej równika powstaje gazowy dysk materii.

Niewyjaśnione promieniowanie rentgenowskie

Już w 1976 roku astronomowie zauważyli, że γ Cassiopeiae emituje niezwykle silne twarde promieniowanie rentgenowskie – około 40 razy intensywniejsze niż w przypadku podobnych gwiazd. Dodatkowo obserwowana plazma osiąga temperatury przekraczające 100 milionów stopni i wykazuje dużą zmienność.

Z czasem odkryto kilkanaście podobnych obiektów, które nazwano „analogami γ Cas”. Mimo intensywnych badań przez dekady nie udało się jednoznacznie ustalić źródła tego nietypowego promieniowania.

Konkurujące hipotezy naukowe

Wśród proponowanych wyjaśnień dominowały dwie główne koncepcje. Pierwsza zakładała, że źródłem emisji jest rekoneksja magnetyczna – proces zachodzący między powierzchnią gwiazdy a otaczającym ją dyskiem gazowym.

Druga hipoteza wskazywała na obecność kompaktowego towarzysza – obiektu takiego jak gwiazda neutronowa lub biały karzeł, który akreuje materię z gwiazdy Be, generując przy tym promieniowanie rentgenowskie.

Badacze z Uniwersytetu w Liège stopniowo eliminowali kolejne możliwości, wykluczając m.in. obecność gwiazdy neutronowej jako źródła zjawiska. Kluczowe pozostawało rozstrzygnięcie: czy za emisję odpowiada procesy magnetyczne, czy układ podwójny z białym karłem.

Przełom dzięki teleskopowi XRISM

Decydujące okazały się obserwacje wykonane przez japoński teleskop kosmiczny XRISM, który dostarcza niezwykle precyzyjnych danych spektroskopowych.

Analiza widm wykazała, że sygnatury gorącej plazmy zmieniają swoją prędkość w czasie – i co kluczowe, zmiany te odpowiadają ruchowi orbitalnemu białego karła, a nie samej gwiazdy Be.

Jak podkreślają autorzy badań, to pierwszy bezpośredni dowód na to, że źródłem promieniowania rentgenowskiego jest materia opadająca na kompaktowego towarzysza.

Dodatkowo szerokość obserwowanych sygnatur – około 200 km/s – wskazuje, że biały karzeł posiada silne pole magnetyczne. To właśnie ono kieruje strumień materii z γ Cas w stronę biegunów tego obiektu, gdzie dochodzi do emisji wysokoenergetycznego promieniowania.

Nowa klasyfikacja i znaczenie odkrycia

Rozwiązanie zagadki oznacza, że γ Cassiopeiae oraz jej analogi należy klasyfikować jako układy podwójne składające się z gwiazdy typu Be i białego karła. Choć istnienie takich układów przewidywano od dawna, dotychczas brakowało jednoznacznych dowodów obserwacyjnych.

Odkrycie ma istotne znaczenie dla badań nad ewolucją gwiazd, zwłaszcza w kontekście układów podwójnych. Lepsze zrozumienie tych procesów może mieć wpływ także na inne dziedziny astrofizyki, w tym badania nad źródłami fal grawitacyjnych – tematu, który w ostatnich latach zyskał dużą popularność również w Polsce dzięki zaangażowaniu krajowych ośrodków naukowych.

Podsumowanie

Po pół wieku badań astronomowie wreszcie wyjaśnili źródło niezwykłego promieniowania γ Cassiopeiae. Kluczową rolę odgrywa biały karzeł, który akreuje materię z towarzyszącej mu gwiazdy. Odkrycie to nie tylko zamyka długoletnią debatę naukową, ale także otwiera nowe perspektywy w badaniach nad ewolucją gwiazd i zjawiskami wysokich energii we Wszechświecie.