Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 42 – vyšlo 4. listopadu, ročník 9 (2011) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

42/2011

Modří opozdilci

Petr Kulhánek

Modří opozdilci jsou namodralé svítivé hvězdy v kulovýchKulová hvězdokupa – systém obsahující statisíce až miliony hvězd, držený pohromadě gravitací. Hvězdy v kulových hvězdokupách neobsahují prakticky žádné těžší prvky, a jsou proto velmi staré, nezřídka 12 až 13 miliard roků. Vznikly z prvotního plynu – vodíku a hélia v zárodcích budoucích galaxií. Většina kulových hvězdokup, které pozorujeme, je součástí naší Galaxie. Nejsou vázány na plochý podsystém, ale na celé galaktické haló. a někdy i otevřených hvězdokupáchOtevřená hvězdokupa – fyzikálně příbuzná skupina hvězd, která drží pohromadě gravitační přitažlivostí a má společný původ. Většina hvězd se vytvořila ze stejné mlhoviny, a tak mají podobné počáteční chemické složení. Otevřená hvězdokupa může mít desítky až desítky tisíc jedinců. Na rozdíl od kulové hvězdokupy zpravidla nevykazuje otevřená hvězdokupa kulové prostorové uspořádání., které se podle dostupných parametrů zdají mladší než jejich sourozenci. Odtud vzniknul jejich název opozdilci (anglicky stragglers) – hvězdy opožděné ve vývoji. První modří opozdilci byli objeveni americkým astronomem Allanem Sandagem (1926–2010) v kulové hvězdokupě M3 v souhvězdí Honících Psů již v roce 1953. Jejich původ byl po dlouhá desetiletí záhadou, protože hvězdy v kulové hvězdokupě vznikají společně a jejich stáří by nemělo mít výraznější odchylky. Pokud nalezneme v hvězdokupě různě staré hvězdy, měl by rozdíl být způsoben výhradně různou hmotností hvězd. Hmotnější hvězdy se totiž vyvíjejí rychleji než méně hmotné. To je dáno vyšším tlakem a teplotou v jejich nitru, což vede k „bouřlivější“ termojaderné syntéze. První objevení modří opozdilci měli ale hmotnost kolem 2 M_S, velikou rotaci a intenzivně svítili v modré barvě. Podle těchto i dalších charakteristik šlo o relativně mladé hvězdy, které nemají v kulové hvězdokupě co pohledávat. V kulových hvězdokupách se nacházejí nejstarší hvězdy z Galaxie. Původně se uvažovalo o třech možnostech: 1) opozdilci byli hvězdokupou zachyceni a nevznikli spolu s ní, 2) jsou důsledkem srážky dvou hvězd, 3) jsou důsledkem hvězdného kanibalismu. Dnes je víceméně potvrzena druhá a třetí hypotéza, Nejčastěji jde o hvězdný kanibalismus v těsné dvojici hvězd, kde hmota z jedné složky přetéká na druhou, a ta se jeví efektivně mladší, než ve skutečnosti je. Dalo by se říci, že si stará babice oblékne mladistvě vypadající kabát.

Asociace – Nestabilní řídká seskupení mladých hvězd. Stáří 106 až 107 let. Nízká hustota hvězd. K nejznámějším patří OB asociace složené z mladých hvězd spektrální třídy O až B (tzv. asociace typu Orion). V Galaxii je jich asi 100. Dalším druhem jsou asociace typu T Tauri složené z velmi mladých hvězd spektrální třídy F až M. Menší hvězdy jsou schované v oblacích plynu a prachu, charakteristická je emise v IR oboru a přítomnost eruptivních proměnných. V Galaxii se nachází asi 1 000 exemplářů. Otevřená hvězdokupa – fyzikálně příbuzná skupina hvězd, která drží pohromadě gravitační přitažlivostí a má společný původ. Většina hvězd se vytvořila ze stejné mlhoviny, a tak mají podobné počáteční chemické složení. Otevřená hvězdokupa může mít desítky až desítky tisíc jedinců. Na rozdíl od kulové hvězdokupy zpravidla nevykazuje otevřená hvězdokupa kulové prostorové uspořádání. Kulová hvězdokupa – systém obsahující statisíce až miliony hvězd, držený pohromadě gravitací. Hvězdy v kulových hvězdokupách neobsahují prakticky žádné těžší prvky, a jsou proto velmi staré, nezřídka 12 až 13 miliard roků. Vznikly z prvotního plynu – vodíku a hélia v zárodcích budoucích galaxií. Většina kulových hvězdokup, které pozorujeme, je součástí naší Galaxie. Nejsou vázány na plochý podsystém, ale na celé galaktické haló. Galaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry.

Modří opozdilci v kulové hvězdokupě NGC 6397 ze souhvězdí Oltáře. Jádro hvězdokupy je v levém horním rohu. Opozdilci mají výrazně modrou barvu. Zdroj: HST.

Modří opozdilci v jádře kulové hvězdokupy 47 Tucanae. Snímek byl pořízen kamerou WFPC 2WFPC2 – širokoúhlá planetární kamera, na HST byla instalována v roce 1993 při první servisní misi, kdy nahradila starší širokoúhlou kameru. Rozlišení je 0,05″, kamera obsahuje 4 CCD matice po 640 000 pixlech. Ze spektra (blízké IR, V, blízké UV) může být vybrán úzký obor pomocí padesáti filtrů. na Hubblově vesmírném dalekohleduHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009.. Filtry byly nastaveny tak, aby červení obři byli oranžoví, hvězdy hlavní posloupnosti bílé až zelené a modří opozdilci se jevili modře. Zdroj: HST.

V roce 2006 vědci z Evropské jižní observatořeESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. V současnosti je v Chile budován Extra velký dalekohled ELT, který bude zprovozněn v roce 2014 a celooblohová Observatoř Very Rubinové, která bude v rutinním provozu od roku 2023. systematicky sledovali modré opozdilce za pomoci čtveřice dalekohledů VLTVLT – Very Large Telescope, čtveřice dalekohledů ESO postavená v Chile na Cerro Paranal (2635 m). Dalekohledy mají celistvá zrcadla o průměru 8,2 metru (Antú – 1998; Kueyen – 1999; Melipal – 2000; Yepun – 2001). Názvy zrcadel znamenají v Mapušštině Slunce, Měsíc, Jižní Kříž a Venuši. Sběrná plocha každého z velkých přístrojů je 53 metrů čtverečních. Dalekohledy jsou vybaveny systémem adaptivní a aktivní optiky. Další menší pomocné dalekohledy tvoří s hlavní čtveřicí výkonný interferometr o základně 200 m, jehož srdcem je od roku 2015 přístroj Gravity – interferometr druhé generace.. U 43 modrých opozdilců z hvězdokupy 47 Tuc bylo spektroskopicky zjišťováno zastoupení jednotlivých prvků. U šesti z nich se ukázalo, že jejich spektrum poukazuje na zjevný nedostatek uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. a kyslíkuKyslík – Oxygenium, plynný chemický prvek, tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organizmů na naší planetě. V atmosféře tvoří plynný kyslík 21 objemových %. Kromě obvyklých dvouatomových molekul O₂ se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O₃. Produkty hoření se nazývají oxidy, dříve kysličníky. Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru. oproti okolním hvězdám. Podle numerických simulací takový materiál pochází z nitra průvodce a na povrch hvězdy se mohl dostat jen přetokem hmoty z druhé složky podvojné soustavy. V nitru hvězd hmotnějších než SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. probíhá tzv. CNO cyklus a uhlík a dusík jsou katalyzátory této jaderné reakce. V nitru hvězdokupy 47 Tuc jsou hvězdy velmi blízko u sebe. V centrální části o velikosti 1 lyl.y. – light year, světelný rok. Jde o vzdálenost, kterou ulétne světlo za rok: 9,46×10¹² km.³ se nachází 4 000 hvězd. Srážky mohou být velmi časté a vést k vytváření těsných dvojhvězd a posléze modrých opozdilců. Hvězdokupa se nachází v souhvězdí Tukana ve vzdálenosti 15 000 světelných roků.

V dalším projektu se v roce 2009 Hubblův vesmírný dalekohled zaměřil na kulovou hvězdokupu M 30 ze souhvězdí Kozoroha. Hvězdokupu objevil Charles Messier již v roce 1764. Je od nás vzdálená 28 000 světelných roků a má průměr 90 světelných roků. Stáří hvězd se odhaduje na 13 miliard let. Hvězdokupa byla současně zkoumána Evropskou jižní observatoříESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. V současnosti je v Chile budován Extra velký dalekohled ELT, který bude zprovozněn v roce 2014 a celooblohová Observatoř Very Rubinové, která bude v rutinním provozu od roku 2023. a při výzkumu byly použity i snímky z digitální přehlídky oblohy DSS 2DSS – Digitized Sky Surveys (DSS 1, DSS 2) jsou celooblohové digitalizované přehlídky snímků z Palomarského (USA) a Schmidtova (Anglie) dalekohledu. Snímky pokrývají pásma E, V, J, R a N. Fotografické desky zabírající pole 6,5°×6,5° byly skenovány s rozlišením 1″. Snímky jsou přístupné ve formátech FITS a GIF.. Ukázalo se, že modré opozdilce z této hvězdokupy lze rozdělit do dvou skupin, jež se poněkud liší svými parametry. Jedna odpovídá modrým opozdilcům vzniklým přímými srážkami a druhá hvězdným kanibalismem. V této hvězdokupě tak byly v roce 2009 potvrzeny dva různé (byť příbuzné) mechanizmy vzniku modrých opozdilců.

Dva mechanizmy vzniku modrých opozdilců v kulové hvězdokupě M 30. Zdroj: NASA.

Hvězdokupa M 30 v souhvězdí Kozoroha, ve které Hubblův dalekohled systematicky
 zkoumal modré opozdilce. Zdroj HST/ESA/NASA.

Podrobný výzkum mechanizmu vzniku modrých opozdilců provedli Aaron Geller a Robert Mathieu z madisonské Univerzity ve Wisconsinu [1] pro kulovou hvězdokupu NGC 188 v souhvězdí Cefea. Z korelací mezi množstvím dvojhvězd, hmotností jádra kulové hvězdokupy a radiální pozicí modrých opozdilců zjistili, že dominantním mechanizmem je hvězdný kanibalizmus a přímé srážky jsou minoritním mechanizmem. Přestože pozorování, analytické modely a numerické N-částicové simulacePočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. hovoří spíše ve prospěch hvězdných srážek, jejich výzkum modrých opozdilců vedl jednoznačně k mechanizmu hvězdného kanibalizmu. Podle této práce by ve většině případů měl být souputníkem modrého opozdilce bílý trpaslík o hmotnosti v úzkém intervalu kolem 0,5 M_S. Aby situace nebyla zcela jednoduchá, objevil Hubblův dalekohled v letošním roce modré opozdilce dokonce v centrální výduti naší Galaxie [2]. Existence modrých opozdilců je tak potvrzena nejen v kulových hvězdokupách, ale přímo i v centrální části Galaxie. Zdá se proto, že modří opozdilci vznikají všude tam, kde je hvězdám „těsno“. Je pravděpodobné, že vznikají oběma zmíněnými mechanizmy (přímou srážkou i hvězdným kanibalizmem) a za různých podmínek dominuje ten či onen mechanizmus vzniku.

Modří opozdilci (zeleně zakroužkovaní) v centrální výduti naší Galaxie.
Zdroj: NASA/ESA/IU/UCLA, HST/ACS/WFC.

Odkazy