Nowe pulsujące gorące podkarły odkryte dzięki satelicie TESS

Ilustracja 1: Teleskop kosmiczny TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) zaprojektowany w celu wyszukiwania planet pozasłonecznych metodą tranzytu. (NASA).

Gorące podkarły stanowią wyjątkową klasę gwiazd. Są to bardzo gorące obiekty o temperaturach powierzchni od około 20 do nawet 80 tysięcy stopni Kelwina, czyli kilka lub kilkanaście razy wyższych niż temperatura powierzchni Słońca. Jednocześnie są stosunkowo małe – ich promienie wynoszą zwykle około 20% promienia Słońca. W rzeczywistości są to odsłonięte jądra dawnych czerwonych olbrzymów, które utraciły niemal całą swoją zewnętrzną otoczkę wodorową. W ich jądrach nadal trwa spalanie helu, dzięki czemu pozostają gorące i jasne mimo niewielkich rozmiarów. Po wyczerpaniu tego paliwa nie przechodzą już przez późniejsze etapy ewolucji typowe dla zwykłych gwiazd, a dość szybko ewoluują do stadium białego karła.

Powstawanie gorących podkarłów jest silnie związane z ewolucją układów podwójnych. Gdy w jądrze jednej z gwiazd tkiego układu kończy się synteza helu z wodoru, gwiazda zaczyna przekształcać się w czerwonego olbrzyma. Jej jądro kurczy się, temperatura wzrasta, a zewnętrzna otoczka gwałtownie zwiększa rozmiary. W niektórych przypadkach ta rozległa otoczka obejmuje drugiego składnika układu, co prowadzi do powstania tzw. wspólnej otoczki. Oddziaływanie gwiazd z materią wspólnej otoczki prowadzi do utraty energii orbitalnej, zbliżania się składników oraz wyrzucenia znacznej części otoczki w przestrzeń kosmiczną. W efekcie pozostaje gorące, odsłonięte jądro czerwonego olbrzyma – gorący podkarzeł – oraz bliski towarzysz krążący wokół niego. W niektórych przypadkach proces ten może zakończyć się połączeniem obu składników w jeden obiekt. Jest to jeden z możliwych mechanizmów prowadzących do powstania pojedynczych gorących podkarłów.

Szczególnie interesującą grupę stanowią gorące podkarły pulsujące – gwiazdy, których jasność zmienia się wskutek drgań zachodzących w ich wnętrzach. Analiza tych pulsacji pozwala astronomom badać budowę wewnętrzną gwiazd metodami astrosejsmologii, podobnie jak sejsmolodzy wykorzystują fale sejsmiczne do badania wnętrza Ziemi.

Poszukiwania nowych obiektów były przedsięwzięciem na dużą skalę. Autorzy rozpoczęli od katalogu ponad 61 tysięcy kandydatów na gorące podkarły wyselekcjonowanych wcześniej na podstawie danych misji Gaia. Po skorelowaniu ich z obiektami obserwowanymi przez teleskop TESS oraz zastosowaniu dodatkowych kryteriów selekcji otrzymano próbkę około 3300 obiektów, które poddano szczegółowej analizie. Do badań wykorzystano krzywe blasku z satelity TESS. Dla każdego obiektu sprawdzano, czy obserwowane zmiany jasności rzeczywiście pochodzą od badanej gwiazdy, a nie od sąsiednich obiektów znajdujących się w polu widzenia satelity. W tym celu wykorzystano program TESS-Localize, który pozwala określić położenie źródła zmienności bezpośrednio na obrazach TESS. Okazało się, że część sygnałów przypisywanych początkowo gorącym podkarłom pochodziła od sąsiednich gwiazd lub była związana z artefaktami obserwacyjnymi.

Analiza krzywych blasku pozwoliła początkowo wytypować 66 kandydatów na nowe zmienne gorące podkarły. Dopiero szczegółowa weryfikacja z wykorzystaniem programu TESS-Localize wykazała jednak, że jedynie 42 obiekty są rzeczywistymi zmiennymi gorącymi podkarłami. Wśród nich znalazły się 22 nowe gwiazdy pulsujące, 3 kandydaci na układy zawierające pulsującego gorącego podkarła, 13 kandydatów na układy podwójne oraz 4 obiekty o niepewnej naturze wymagające dalszych obserwacji. Następnie przeprowadzono analizę częstotliwości zmian jasności, pozwalającą oddzielić gwiazdy pulsujące od układów podwójnych, w których zmienność może być wywołana zaćmieniami, elipsoidalnością składników lub odbiciem światła od towarzysza. Co ciekawe, część nowych pulsatorów wykazywała jedynie pojedyncze dominujące częstości zmian blasku, przez co ich klasyfikacja będzie wymagała potwierdzenia podczas przyszłych obserwacji.

Dla 11 gwiazd wykonano dodatkowo obserwacje spektroskopowe. Uzyskane widma analizowano przy użyciu specjalistycznego programu XTgrid, który pozwala wyznaczać temperatury, grawitacje powierzchniowe i skład chemiczny gorących gwiazd. Potwierdzono przynależność badanych obiektów do klasy gorących podkarłów oraz określono ich podstawowe parametry fizyczne.

Praca Krzesińskiego i współpracowników znacząco powiększa liczbę znanych pulsujących gorących podkarłów i kandydatów na układy podwójne. Odkryte obiekty będą ważnym materiałem do badań nad ewolucją gwiazd, utratą wspólnej otoczki, transferem masy w układach podwójnych oraz procesami prowadzącymi do powstawania białych karłów. Szczególnie interesujące są nowe pulsatory, które mogą stać się obiektami przyszłych badań astrosejsmologicznych pozwalających zajrzeć w głąb gwiazd. Atorzy zwracają ponadto uwagę, że tempo odkrywania nowych pulsujących gorących podkarłów zaczyna stopniowo maleć. W poprzedniej części projektu znaleziono 61 nowych takich obiektów, podczas gdy obecnie odkryto ich 22. Może to oznaczać, że astronomowie stopniowo zbliżają się do skompletowania katalogu najjaśniejszych pulsujących gorących podkarłów obserwowanych przez satelitę TESS.

Wiele spośród nowo odkrytych obiektów wymaga jeszcze dalszych obserwacji fotometrycznych i spektroskopowych. Już teraz jednak wyniki pokazują, jak skuteczne może być połączenie ogromnych baz danych z misji kosmicznych z klasycznymi obserwacjami naziemnymi. Dzięki takim badaniom astronomowie coraz lepiej rozumieją późne etapy ewolucji gwiazd oraz procesy zachodzące w ciasnych układach podwójnych.