Afslører oprindelsen af ​​uventede forskelle i gigantiske binære stjerner

Ved at bruge Gemini South-teleskopet har et hold astronomer for første gang bekræftet, at forskelle i binære stjerners sammensætning kan stamme fra kemiske variationer i skyen af ​​stjernemateriale, som de er dannet af. Resultaterne hjælper med at forklare, hvorfor stjerner født fra den samme molekylære sky kan have forskellig kemisk sammensætning og være vært for forskellige planetsystemer, samt udgøre udfordringer for nuværende stjerne- og planetdannelsesmodeller.

Det anslås, at op til 85 % af stjernerne findes i binære stjernesystemer, nogle endda i systemer med tre eller flere stjerner. Disse stjernepar er født sammen ud af den samme molekylære sky fra en fælles overflod af kemiske byggesten, så astronomer ville forvente at opdage, at de har næsten identiske sammensætninger og planetsystemer.

Men for mange binære filer er det ikke tilfældet. Mens nogle foreslåede forklaringer tilskriver disse uligheder begivenheder, der fandt sted efter stjernernes udvikling, har et hold af astronomer for første gang bekræftet, at de faktisk kan stamme fra før stjernerne overhovedet begyndte at dannes.

Ledet af Carlos Saffe fra Institute of Astronomical, Earth and Space Sciences (ICATE-CONICET) i Argentina brugte holdet Gemini South-teleskopet i Chile, den ene halvdel af International Gemini Observatory.

Med den nye, præcise Gemini High-Resolution Optical Spectrograph (GHOST) studerede holdet de forskellige bølgelængder af lys, eller spektre, afgivet af et par kæmpestjerner, som afslørede betydelige forskelle i deres kemiske sammensætning.

"GHOSTs ekstremt højkvalitetsspektre tilbød en hidtil uset opløsning," sagde Saffe, "så at vi kunne måle stjernernes stjerneparametre og kemiske mængder med den højest mulige præcision." Disse målinger viste, at den ene stjerne havde større mængder af tunge grundstoffer end den anden. For at afklare årsagen til denne uoverensstemmelse brugte teamet en unik tilgang.

Tidligere undersøgelser har foreslået tre mulige forklaringer på observerede kemiske forskelle mellem binære stjerner. To af dem involverer processer, der ville finde sted et godt stykke ind i stjernernes udvikling:atomdiffusion eller bundfældning af kemiske elementer i gradientlag afhængigt af hver stjernes temperatur og overfladetyngdekraft, og opslukning af en lille, stenet planet, som ville introducere kemiske variationer i en stjernes sammensætning.

Den tredje mulige forklaring ser tilbage på begyndelsen af ​​stjernernes dannelse, hvilket tyder på, at forskellene stammer fra primordiale eller allerede eksisterende områder med uensartethed i molekylskyen. Kort sagt, hvis den molekylære sky har en ujævn fordeling af kemiske grundstoffer, så vil stjerner født i denne sky have forskellige sammensætninger afhængigt af hvilke grundstoffer der var tilgængelige på det sted, hvor de blev dannet.

Indtil videre har undersøgelser konkluderet, at alle tre forklaringer er sandsynlige; disse undersøgelser fokuserede dog udelukkende på binære hovedsekvenser. 'Hovedsekvensen' er det stadie, hvor en stjerne tilbringer det meste af sin eksistens, og størstedelen af ​​stjerner i universet er hovedsekvensstjerner, inklusive vores sol.

I stedet observerede Saffe og hans team en binærfil bestående af to gigantiske stjerner. Disse stjerner har ekstremt dybe og stærkt turbulente ydre lag eller konvektionszoner. På grund af egenskaberne ved disse tykke konvektionszoner var holdet i stand til at udelukke to af de tre mulige forklaringer.

Den kontinuerlige hvirvling af væske i den konvektive zone ville gøre det vanskeligt for materialet at sætte sig i lag, hvilket betyder, at kæmpestjerner er mindre følsomme over for virkningerne af atomar diffusion - hvilket udelukker den første forklaring. Det tykke ydre lag betyder også, at en planetarisk opslukning ikke ville ændre en stjernes sammensætning meget, da det indtagne materiale hurtigt ville blive fortyndet - hvilket udelukker den anden forklaring.

Dette efterlader primordiale inhomogeniteter i den molekylære sky som den bekræftede forklaring. "Det er første gang, astronomer har været i stand til at bekræfte, at forskelle mellem binære stjerner begynder på de tidligste stadier af deres dannelse," sagde Saffe.

"Ved at bruge præcisionsmålingsfunktionerne fra GHOST-instrumentet indsamler Gemini South nu observationer af stjerner i slutningen af ​​deres liv for at afsløre det miljø, de blev født i," siger Martin Still, NSF-programdirektør for International Gemini Observatory . "Dette giver os muligheden for at udforske, hvordan de forhold, hvorunder stjerner dannes, kan påvirke hele deres eksistens over millioner eller milliarder af år."

Tre konsekvenser af denne undersøgelse er af særlig betydning. For det første giver disse resultater en forklaring på, hvorfor astronomer ser binære stjerner med så forskellige planetsystemer. "Forskellige planetsystemer kan betyde meget forskellige planeter - stenede, jordlignende, isgiganter, gasgiganter - der kredser om deres værtsstjerner i forskellige afstande, og hvor potentialet til at understøtte liv kan være meget forskelligt," sagde Saffe.

For det andet udgør disse resultater en afgørende udfordring for konceptet med kemisk mærkning - ved at bruge kemisk sammensætning til at identificere stjerner, der kom fra det samme miljø eller stjerneplanteskole - ved at vise, at stjerner med forskellig kemisk sammensætning stadig kan have samme oprindelse.

Endelig skal observerede forskelle, der tidligere er tilskrevet planetariske påvirkninger på en stjernes overflade, gennemgås, da de nu kan ses som at have været der lige fra begyndelsen af ​​stjernens liv.

"Ved at vise for første gang, at primordiale forskelle virkelig er til stede og ansvarlige for forskelle mellem tvillingestjerner, viser vi, at stjerne- og planetdannelse kan være mere kompleks end først antaget," sagde Saffe. "Universet elsker mangfoldighed."

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Astronomy &Astrophysics .

Flere oplysninger: C. Saffe et al., Disentangling oprindelsen af ​​kemiske forskelle ved hjælp af GHOST, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202449263

Journaloplysninger: Astronomi og astrofysik

Leveret af Association of Universities for Research in Astronomy