22.08.22: Det har lenge vært et mysterium hvordan oppførselen til noen stjerner i kulehoper tilsynelatende bryter med kjente teorier, at noen masserike stjerner har kraftige magnetfelt, og hvordan superkraftige stjerneeksplosjoner – såkalte langvarige gammaglimt og hypernovaer – oppstår. Detaljerte datasimuleringer ser ut til å gi svaret på både disse og flere andre mysterier innen stjerneverdenen.
av Knut Jørgen Røed Ødegaard
Kunstnerisk fremstilling av magnetar i en stjernehop.
Illustrasjon: ESO/L. Calçada
Sterkest av alle magnetfelt
Nøytronstjerner er ekstremt kompakte, små og raskt roterende rester etter masserike stjerner som har eksplodert som supernovaer. Alle nøytronstjerner har sterke magnetfelt, men noen er mer magnetiske enn andre. Disse såkalte magnetarene er de kraftigste magnetene i Universet og har magnetfelt med styrke 1013 to 1015 G (mot Jordens 0,26-0,65 G. Måleenheten 1 G = 1 Gauss). Dette er 100 millioner ganger sterkere enn de kraftigste magnetfeltene vi mennesker har klart å lage. Årsaken til at de er så ekstremt magnetiske, er trolig at stjernene de ble dannet fra under supernova-eksplosjoner allerede før eksplosjonen var langt mer magnetiske enn andre stjerner.
Når det magnetiske feltet etter hvert svekkes, går energien med til å sende ut energirik elektromagnetisk stråling, spesielt røntgen- og gammastråling. Teorien for disse prosessene ble fremsatt i 1992, samt i publikasjoner de påfølgende årene og forklarte et utbrudd av gammastråler fra Den store magellanske sky som ble observert 5. mars 1979 og andre mindre intense utbrudd fra kilder i vår egen galakse. Magnetarhypotesen ble senere akseptert som en sannsynlig forklaring på såkalte bløte, gjentagende gammastrålekilder (SGRer) og anomale røntgenpulsarer (AXPer). I 2020 ble et hurtig radioglimt (FRB) observert fra en magnetar, og magnetarer har også vist seg å være involvert i andre fascinerende astronomiske fenomener.
Sammensmeltende stjerner
I mer enn 70 år har det vært en gåte hvordan noen masserike stjerner kan ha kraftige magnetfelt. Et typisk eksempel er stjernen Tau Scorpii som befinner seg 470 lysår fra Jorden. Denne stjernen har 15 ganger Solens masse, sender ut 20 400 ganger mer energi og har et kraftig magnetfelt som denne typen varme stjerner (spektraltype B)
etter teoriene ikke skal kunne ha.
Illustrasjonen viser feltlinjene i det komplekse og intense magnetfeltet som er observert på den masserike stjernen Tau Scorpii. Klikk på bildet for å se en animasjon som viser hva en observatør i nærheten ville sett mens stjernen roterte.
Illustrasjon og animasjon: MM Jardine & JF Donati
I stjerner med mindre masse, slik som Solen, oppstår kraftige magnetfelt som følge av sterke og turbulente konvektive bevegelser i gassen i de ytre lagene. I stjerner med stor masse er det kun svært tynne konvektive lag nær overflaten, og disse skal langt fra være i stand til å generere vesentlige magnetfelt. Likevel har omtrent 10 % av de masserike stjernene et sterkt og omfattende magnetfelt, noe som har vært et mysterium helt siden oppdagelsen i 1947.
En gruppe forskere fra Tyskland og Storbritannia kan nå ha løst mysteriet ved hjelp av store datasimuleringer som viser at magnetfeltene kan ha oppstått ved sammensmeltningen av to stjerner. Allerede for mer enn 10 år siden ble det foreslått at sterke magnetiske felt kunne dannes når to stjerner kolliderer, men frem til nå har det ikke vært mulig å teste hypotesen på grunn av manglende dataverktøy. Nylig benyttet forskergruppen den nye AREPO-koden på et stort datanettverk ved Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS) som viste at et sterkt magnetfelt virkelig dannes på grunn av de sterke skjærkreftene og den sterke turbulensen som opptrer under sammensmeltningen av to stjerner.
Dobbel virkning av sammensmeltninger
I motsetning til hva man trodde frem til noen få år siden, forekommer sammensmeltning mellom stjerner relativt ofte. Observasjoner tyder på at omtrent 10 % av alle masserike stjerner i Melkeveien er dannet på denne måten. Dette stemmer overens med hyppigheten av masserike stjerner som er magnetiske. Antagelig forårsaker slike stjerner dessuten spesielt energirike supernovaer (se nedenfor og her) og etterlater seg magnetarer.
Når stjerner smelter sammen, får produktet mye større masse enn hver av de opprinnelige stjernene. Dette medfører langt høyere lysstyrke og temperatur og får stjernen til å fremstå mye yngre enn den virkelig er. Fenomenet er velkjent, og slike stjerner kalles blå etternølere (blue stragglers). Faktisk er en del av disse stjernene blåere (varmere) enn hovedseriestjernene, og da er det nesten sikkert at stjernene er dannet gjennom sammensmeltninger.
Et av medlemmene i forskningsgruppen, Philipp Podsiadlowski fra Oxford University, UK, forteller i en pressemelding at de i 2016 innså at den magnetiske stjernen Tau Scorpii er en slik blå etternøler, og dersom den er et resultat av sammensmeltning, vil det forklare hvorfor stjernen tilsynelatende er unormalt ung. Tau Scorpii er tilsynelatende bare 5 millioner år gammel, men befinner seg i en samling med stjerner (en assosiasjon) der de andre medlemmene er 11 millioner år. Forskerne foreslo deretter at stjernen også kunne ha fått sitt magnetfelt i sammensmeltningsprosessen.
Hertzsprung-Russell-diagram for stjernene i en kulehop ut ifra stjernenes lysstyrke (vertikal akse) og temperatur (horisontal akse – spektralklasse). Alle stjernene ble trolig dannet samtidig, og det meste av tiden befinner stjernene seg på den såkalte hovedserien (Main sequence). De mest masserike stjernene har størst lysstyrke og befinner seg lengst oppe mot venstre. Disse stjernene har også kortest levetid, og det betyr at stjernene gradvis svulmer og beveger seg mot høyre. Knekkpunktet beveger seg derfor nedover mot høyre (mot stjerner med gradvis mindre masse) etter hvert som tiden går. Hvorfor finnes da masserike, blå stjerner langt oppe til venstre for knekkpunktet?
Illustrasjon: Wikipedia
Mer regel enn unntak?
Ny forskning presentert på konferansen IAU 361 Massive Stars Near and Far i mai 2022 viser at hyppigheten av sammensmeltninger kan være enda høyere for stjernene med størst masse. Antagelig er 10 % av disse dannet gjennom sammensmeltning mellom to stjerner før de når hovedserien, altså mens de fortsatt er i ferd med å dannes og bli stabile stjerner, mens totalt 30 % av de svært masserike stjernene skyldes en sammensmeltning som har funnet sted på et aller annet tidspunkt i stjernenes utvikling. Når det gjelder de aller mest masserike, kan omtrent alle disse skyldes sammensmeltninger, noe som kan ha store konsekvenser for magnetfeltet til slike objekter.
Kraftig forsterkning av magnetfeltet er også observert under sammensmeltningen av hvite dverger, en prosess som forårsaker supernovaer av type Ia, under sammensmeltningen av nøytronstjerner (et fenomen som forårsaker gravitasjonsbølger og kortvarige gammaglimt) og sammensmeltningen mellom to stjerner som deler gasskappe.
To masserike stjerner som sirkler så tett på hverandre at de berører hverandre og snart vil smelte sammen til én stjerne.
Illustrasjon: ESO/L. Calçada
Supernova og magnetar
Masserike stjerner er lyssterke, men lever korte liv og ender som supernovaer. Dette ventes også å skje med Tau Scorpii, og den vil da etterlate seg en ekstremt magnetisk nøytronstjerne – en såkalt magnetar. Dette skyldes at stjernens kjerne kollapser og får ekstrem tetthet. Magnetfeltet som «sitter fast» i gassen blir samtidig komprimert og forsterket (det samme gjelder også rotasjonen som kommer til å tilta svært kraftig).
Beregningene viser at magnetfeltet kan bli tilstrekkelig kraftig til å forklare de ekstreme magnetfeltene til magnetarene. Dermed ser det også ut til at i hvert fall noen av de mystiske hurtige radioglimtene (FRBene), kan være en konsekvens av sammensmeltning av stjerner.
Fødselen til en magnetisk stjerne. Simuleringen viser her hvordan en magnetisk stjerne som Tau Scorpii kan bli dannet. Bildet er et snitt gjennom baneplanet der fargene viser styrken på magnetfeltet og mønsteret viser feltlinjene.
Foto/simulering: Ohlmann / Schneider / Röpke
Blue stragglers – blå etternølere
I stjernehoper er alle stjernene dannet omtrent samtidig, og dette er spesielt tydelig i kulehoper som er kuleformede ansamlinger av flere hundre tusen stjerner. Disse stjernene er ofte svært gamle, og dermed skal alle masserike (og dermed kortlivede) stjerner for lengst ha brukt opp hydrogenet i kjernen og forlatt den såkalte hovedserien i Hertzsprung-Russell-diagrammet.
Men bilder tatt med store teleskop avslører at selv om kulehoper er fulle av gule og røde stjerner, finnes også en del blå prikker – tilsynelatende varme og masserike stjerner, de mystiske blå etternølerne.
Kulehopen NGC 6397 fotografert med romteleskopet Hubble. På bildet er det lett å se en rekke blå stjerner – blå etternølere.
Foto: Francesco Ferraro (Bologna Observatory), ESA, NASA
I dette fantastiske bildet tatt med romteleskopet Hubble ser stjernene nesten ut som en samling smykkesteiner, men vi ser kjernen av den mer enn 10 milliarder år gamle kulehopen NGC 6752 som befinner seg 13 000 lysår unna. Denne kulehopen inneholder et stort antall av blå etternølere, hvorav noen er synlig på dette bildet. Disse stjernene ser ut til å være unge selv om alle stjernene i en slik kulehop skal være dannet omtrent samtidig. Sammensmeltninger mellom stjerner i den tette kjernen kan være en forklaring – hele 38 % av stjernene er dessuten doble, noe som i seg selv øker sjansen for sammensmeltninger.
Foto: ESA/Hubble & NASA
Dette infrarøde bildet av den gigantiske kulehopen 47 Tucanae, som er 15 000 lysår unna oss på den sydlige himmelhalvkulen, er tatt med ESOs VISTA-teleskop og viser fantastiske detaljer. Hopen er en av de største vi kjenner og inneholder flere millioner stjerner, og mange av de som er samlet i kjernen, er merkelige og har uvanlige egenskaper, inkludert de såkalte blå etternølerne.
Røde kjemper – oppsvulmede og døende stjerner – ses spredt over bildet og skiller seg ut med sin ravgule farge mot de gulhvite bakgrunnsstjernene. De svært svake stjernene i bakgrunnen tilhører satellittgalaksen Den lille magellanske sky som tilfeldigvis ligger i samme retning. Av de nærmere 150 kjente kulehopene i Melkeveigalaksen har 47 Tucanae nest størst masse etter Omega Centauri.
Foto:
ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit
Film om sammensmeltning av stjerner og dannelsen av ekstremt kraftige magnetfelt.
Film: University of Oxford
Svært kraftige supernovaer og merkelige novaer
Masserike stjerner dør altså som supernovaer, men enkelte supernovaer er langt kraftigere enn forventet, med opptil 10–100 ganger større lysstyrke enn de «normale» supernovaene. Årsaken antas ofte enten å være prosesser i kjernen av den eksploderende stjernen, eller at massen til den døende stjernen er spesielt stor. Sterke magnetfelt ser ut til å forsterke eksplosjonene.
Kunstnerisk fremstilling av en superlyssterk supernova.
Illustrasjon: NASA/CXC/M.Weiss
Hypernovaer er en type uvanlig energirike supernovaer og klassifiseres ofte som supernovaer av type Icbl som betyr at den eksploderende stjernen er relativt kompakt og har mistet de ytre lagene slik at vi ser rett inn på det som opprinnelig var stjernens kjerne. Disse supernovaene knyttes også til såkalte langvarige gammaglimt (saker om gammaglimt), noen av Universets voldsomste eksplosjoner.
Datasimuleringene tyder på at sammensmeltning mellom stjerner gir masserike stjerner med raskt roterende kjerner og kraftige magnetfelt – et perfekt utgangspunkt for å utløse en hypernova og samtidig et langvarig gammaglimt.
Fra nært hold ville kanskje et gammaglimt sett slik ut. Ekstreme stråler av gass spruter ut av en intenst het stjerne.
Illustrasjon: Dana Berry, SkyWorks Digital
En sammensmeltning mellom to «vanlige» stjerner, altså stjerner som er på hovedserien i Hertzsprung-Russell-diagrammet, kan forårsake en merkelig og sjelden novatype – en såkalt lyssterk rød nova.
Det er observert noen få novaer som mistenkes å være av denne typen, men dette er noe omdiskutert – noen forskere mener at det i stedet for sammensmeltninger mellom stjerner kan dreie seg om masserike stjerner som eksploderer som uvanlig lite energirike supernovaer.
I januar 2002 ble stjernen V838 Monocerotis i en kort periode 600 000 ganger mer lyssterk enn Solen og dermed en av de mest lyssterke stjernene i hele Melkeveien. Det mystiske utbruddet kan ha vært en rød nova. Den ekspanderende gass-skyen rundt stjernen er her observert med romteleskopet Hubble i desember 2002.
Foto: NASA, ESA and H.E. Bond (STScI)
Forsiden
