Są gwiazdy otoczone przez planety. Są gwiazdy okrążane przez inne gwiazdy. Są gwiazdy z płaskimi dyskami utworzonymi przez kamienie i głazy. Ale co powiecie na młode, gorące, silne gwiazdy osadzone wewnątrz wielkich chmur gazu w kształcie obwarzanka?
Astronomowie podejrzewali, że grube pierścienie występują dookoła gwiazd o silnym polu magnetycznym. Czasami powierzchnia tych „gwiazd magnetycznych” ma specyficzny skład chemiczny, a dokładniej zawiera niewielkie ilości ciężkich pierwiastków takich jak żelazo. Teraz zespół astronomów, po przeanalizowaniu informacji dotyczących czterech gwiazd, dostarczył przekonywujących dowodów na istnienie związku pomiędzy pierścieniami a polami magnetycznymi. Zespół ten sugeruje też, że pierścienie dookoła masywnych gwiazd występują częściej, niż naukowcy dotychczas sądzili. Wyniki badań wskazują, że magnetyczne gwiazdy o normalnym składzie chemicznym też mogą mieć pierścienie.
„Gdy ktoś znajduje cechę łączącą wiele gwiazd różnych typów, jest to kamień milowy astronomii” – mówi Myron Smith ze Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland. „Odkryliśmy, że może istnieć co najmniej dwa razy więcej gwiazd z pierścieniami, niż dotychczas sądzono. Wokół każdej z tych gwiazd, pierścienie są tworzone i utrzymywane przez ten sam mechanizm: stabilne pola magnetyczne. Pierścienie powstają dzięki zderzeniom cząsteczek poruszających się wzdłuż linii pola„. Rezultaty Smitha zostały niedawno opublikowane w drugim lipcowym numerze czasopisma Astronomy and Astrophysics.
Smith i jego współpracownik Detlef Groote z Uniwersytetu w Hamburgu w Niemczech, przebadali dane pochodzące z szesnastoletnich obserwacji w ultrafiolecie czterech gwiazd. Prowadził je International Ultraviolet Explorer (IUE), satelita, który obserwował niebo od roku 1978 do 1996. Cyfrowe archiwum IUE jest przechowywane w Multi-Mission Archive w Space Telescope Science Institute. Powierzchnia dwóch gwiazd wykazała normalny skład chemiczny, czyli mieszaninę wodoru, helu i ciężkich pierwiastków takich jak żelazo. Wierzchnie warstwy pozostałych dwóch miały niską zawartość ciężkich pierwiastków. Wszystkie te gwiazdy mają około 10 milionów lat i masę kilka razy większą od Słońca.
Astronomowie nie mogli bezpośrednio obserwować pól magnetycznych tych gwiazd, ale wywnioskowali ich istnienie poprzez analizę koloru (widma) pierścieni. Podczas swoich badań, Smith i Groote odkryli, że pierścienie pochłaniają fale świetlne o wielu długościach, a zwłaszcza ultrafiolet. Poprzedni badacze tych gwiazd zauważyli regularne blednięcie ich światła. Smith i Groote wykazali, że to pierścienie przechodzące przed gwiazdą powodują blednięcie. Zaskoczyło ich widmo pierścieni, na którym wyraźnie widać było oznaki występowania gorącego azotu i gazów węgla. W normalnych warunkach te gazy nie są dostatecznie ogrzane, by je dostrzec. Temperatura gazów wynosiła 50 000 stopni Celsjusza, czyli dwa razy więcej niż temperatura powierzchni gwiazd.
„Wiedzieliśmy, że jakiś mechanizm wewnątrz gwiazd powodował ogrzewanie części gazu w pierścieniu” – mówi Smith. „Obecność pierścienia doprowadziła nas do stwierdzenia, że to pole magnetyczne jest odpowiedzialne za świecący azot„.
Astronomowie sądzą, że każda z tych gwiazd posiada proste, „sztabkowe” pole magnetyczne, takie jak ziemskie. Pole rozciąga się od północnego bieguna magnetycznego do południowego. Gaz uwięziony przez linie pola wyglądałby jak klatka w kształcie tuby dookoła gwiazdy. Oś pola magnetycznego jest nachylona odpowiednio do obrotów gwiazdy. Każdy, kto obserwuje taką gwiazdę, widzi, jak wewnętrzna tuba chwieje się, gdy gwiazda się obraca.
Proste pole sztabkowe odgrywa główną rolę w procesie formowania się pierścienia. Zgodnie z popularną teorią, pole magnetyczne ukierunkowuje materię wypływającą z gwiazdy w „wiatr gwiezdny” – strumień naładowanych cząstek poruszający się z prędkością 4 milionów kilometrów na godzinę. Wszystkie gorące gwiazdy wytwarzają wiatr gwiezdny, ale te z silnymi polami magnetycznymi uwalniają strumienie cząstek we wszystkich kierunkach. Gwiazda o polu układającym się wzdłuż biegunów – taka jak te badane przez Smitha i Groote’a – tworzy wiatr tylko z dwóch biegunów. Cząsteczki wiatru, a zwłaszcza takie jak żelazo, są przyspieszane przez intensywne promieniowanie gwiazdy i podróżują wzdłuż linii sił pola. Po kilku godzinach uderzają w cząsteczki nadlatujące z przeciwnego kierunku, gdzieś w pobliżu nachylonego równika magnetycznego gwiazdy.
Kolizje przypominają serię czołowych zderzeń na zatłoczonej autostradzie. W miarę jak cząsteczki uderzają w siebie, zatrzymują się i zbierają wzdłuż równika, ostatecznie formując gruby pierścień. Zderzenia powodują też świecenie i promieniowanie gazu w wysokiej temperaturze, co obserwuje się w ultrafioletowym i rentgenowskim paśmie.
Smith i Groote odkryli, że pierścienie istnieją wokół wielu, może nawet wszystkich typów masywnych gwiazd o silnym polu magnetycznym.
„Pierścienie różnych typów masywnych gwiazd mogą mieć różne widma (różne składy chemiczne)” – wyjaśnia Smith. „Na przykład w niektórych gwiazdach pierwiastki typu żelaza są wyrzucane w przestrzeń, tworząc pierścienie o zróżnicowanym składzie chemicznym. Ale teraz naukowcy rozumieją, że pierścienie – choć odmienne chemicznie, zależnie od typu gwiazdy – zostały utworzone w taki sam sposób, poprzez połączone działanie pola magnetycznego i wiatru gwiezdnego. Nowa idea jednoczy na pozór różne typy gwiazd„.
Space Telescope Science Institute (STScI) jest prowadzony przez Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. (AURA), dla NASA, poprzez kontrakt z Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland. Kosmiczny Teleskop Hubble’a to projekt powstały przy międzynarodowej współpracy ESA i NASA.
