Novinky
Na čem pracujeme: Spektra hmotných hvězd s velmi nízkou metalicitou
V raných fázích byl vesmír chemicky velmi chudý a první hvězdy, které vznikaly, byly složeny téměř výhradně z vodíku a helia. Struktura a vnější vzhled těchto hvězd je předmětem výzkumů, protože právě tyto hvězdy zřejmě hrály klíčovou roli v reionizaci vesmíru nějakých 400 milionů let po Velkém třesku. Jak vypadala spektra těchto hvězd a jak je hledat v současném vesmíru – o tom podává zprávu článek týmu astrofyziků s výraznou českou účastí.
Bohatost chemické směsi ve hvězdách se v prvním přiblížení posuzuje jediným parametrem, tzv. metalicitou. Ta vyjadřuje procentuální (hmotnostní) zastoupení všech chemických prvků vyjma vodíku a helia. Pro Slunce se uvádí referenční metalicita, označovaná jako Z⊙, s hodnotou 0,02. Tedy pouhá dvě hmotnostní procenta sluneční směsi jsou zastoupena prvky jinými než vodíkem a heliem.
Hvězdy s nízkou metalicitou, tedy s méně než pětinovou než je sluneční, hrály v minulosti nejen svoji kosmologickou úlohu, ale také jsou zřejmě původci spektakulárních světelných efektů, mezi něž patří výbuchy supernov typu Ic, gama záblesky nebo jako původci černých dvojděr, jejichž splynutí nedávno otevřelo zcela nové pozorovací okno pro astronomy – astronomii gravitačních vln.
Je tak možná až překvapivé, jak málo odborníků na světě se těmito hvězdami zabývá. Je to nejspíše motivováno faktem, že je známo jen několik málo hvězd s metalicitou desetiny sluneční a vůbec žádné s metalicitou ještě nižší. Takové sice téměř jistě nenajdeme v naší Galaxii, ale v jiných galaxiích může být situace jiná. Předchozí práce ukázaly, že spektra chemicky chudých hvězd budou velmi podobná spektrům vyvinutých Wolfových-Rayetových hvězd a mohly by být s nimi snadno zaměněny.
To bylo hlavní motivací teoretické práce mezinárodního týmu s výrazným přispěním odborníků ze Stelárního oddělení ASU. Modelování atmosféry a okolního hvězdného větru navázalo na předchozí práci podobného týmu, jež se zabývala vnitřní strukturou a vývojem rychle rotujících hvězd s metalicitou padesátkrát nižší než je ta sluneční. Tyto hvězdy se vyvíjejí chemicky homogenně. Po značnou část jejich vývoje lze tyto hvězdy charakterizovat zkratkou TWUIN (Transparent Wind Ultraviolet INtense, tedy přeloženo asi jako hvězdy s intenzivním ultrafialovým zářením a průhledným větrem).
V této práci se autoři zabývali vzhledem spektra hvězd s hmotností 20, 59 a 131 slunečních hmotností v různých vývojových fázích. Pro každou hvězdu uvažovali modely s různou rotační rychlostí a různé parametry modelu hvězdného větru.
Výsledky ukazují, že v raných vývojových fázích mají chemicky homogenně se vyvíjející hvězdy opticky tenké (tedy průhledné) hvězdné větry, zatímco s hvězdným vývojem neprůhlednost těchto větrů narůstá. Maximum vyzařování všech hvězd je posunuto do daleké ultrafialové oblasti spektra, množství záření dokonce narůstá s časem. Celkový zářivý výkon není příliš citlivý na změny v modelu hvězdného větru.
V raných vývojových fázích, kdy atmosféry stále obsahují více než polovinu vodíku, vykazují všechna spektra téměř výhradně přítomnost absorpčních čar. V pozdějších vývojových fázích přibývá čar emisních, tento nárůst je výraznější před ukončením fáze hoření vodíku v jádře. V emisi se objevuje dokonce vodíková čára Lyman-α. Jakmile hvězda začne v jádře spalovat helium, téměř všechny čáry jsou v emisi, zejména pak emisní čáry helia jsou velmi silné a jsou typickou spektrální strukturou těchto hvězd.
Na základě vypočteného modelového spektra bylo možné určit jejich spektrální typ s využitím standardních postupů. Až na výjimky by byly TWUIN hvězdy klasifikovány jako hvězdy spektrálního typu O4 a teplejší. Spektrum ovšem nevykazuje téměř žádné čáry dusíku. To dává návod na hledání TWUIN hvězd v okolních galaxiích. Velmi horká hvězda bez přítomnosti čar kovů s velmi silnou emisí v čarách ionizovaného helia by byla velmi silným kandidátem na hledanou TWUIN hvězdu. V pozdějších fázích vývoje by chemicky homogenně se vyvíjející a rychle rotující hvězdy byly klasifikovány jako typ WO, tedy jako Wolfovy-Rayetovy hvězdy s čarami kyslíku. Dusíkové čáry však chybí i v těchto pokročilých vývojových fázích.
Celkově jsou spektrální vlastnosti TWUIN hvězd kompatibilní s požadavky na objekty přispívající k reionizaci raného vesmíru. Hlavním cílem práce však bylo přinést předpověď spektra těchto důležitých objektů, což by mělo zjednodušit jejich hledání v současném vesmíru. Teprve přímá porovnání s pozorováním umožní dále omezit volné parametry modelů a studovat tyto objekty konkrétně.
Michal Švanda
Citace práce
B. Kubátová, D. Szécsi a kol., Low-metallicity massive single stars with rotation – II. Predicting spectra and spectral classes of TWUIN stars, Astronomy&Astrophysics v tisku, preprint arXiv:1810.01267
Kontakt: Mgr. Brankica Kubátová, Ph. D., brankica.kubatova@asu.cas.cz