Gdy patrzymy na migające na nocnym niebie gwiazdy zazwyczaj wydaje się nam, że tkwią one samotnie w ogromnej, pustej przestrzeni dookoła nich, a za jedyne towarzystwo mają najwyżej kilka planet lub innych obiektów, które jednak w porównaniu do ich masy i wielkości są niewielkimi pyłkami. Jest to jednak złudne wrażenie, bo jak wiemy większość z nich posiada przynajmniej jednego gwiezdnego kompana. Astronomowie generalnie nie są pewni dlaczego tak się dzieje, ale niedawno przeprowadzone badania wydają się przedstawiać wiarygodne tego zjawiska wyjaśnienie.

Gwiazdy powstają wtedy, gdy rotująca chmura gazu i pyłu zapada się przez siłę grawitacji. Z czasem w jego centrum materiał zbiera się w wielką, masywną kulę otoczoną przez dysk protogwiezdny, resztki którego zmieniają się w dysk protoplanetarny, będący miejscem narodzin planet.

Formowanie się systemu z pojedynczą gwiazdą jest procesem dobrze znanym i rozumianym przez astronomów. Wciąż jednak nie wiemy, co się dokładnie dzieje, że formacje wielokrotne są tak często spotykane.

Istnieje kilka hipotez, które tłumaczą ten proces. Może wszystkie gwiazdy powstają samotnie, a później przechwytują się nawzajem grawitacyjnie. Albo powstają razem z jednej protogwiezdnej chmury. Autorzy nowych badań zaznaczają, że trudno zweryfikować te hipotezy, bo praktycznie niemożliwe jest zaobserwowanie wszystkich etapów ich ewolucji w praktyce. Międzygwiezdny gaz i pył zasłaniają nam widok, a do tego aby gwiazda się uformowała potrzeba około stu tysięcy lat.

NASA/JPL-Caltech/IPAC/R. Hurt

Artystyczna wizja podwójnego systemu HK Tau pokazuje dwa dyski protogwiezdne, które są pod kątem względem siebie. Mierzenie orientacji gwiazd w systemach wielokrotnych takich jak ten może pomóc astronomom dowiedzieć się, jak nowe gwiazdy tworzą takie systemy.

Dwa modele

Dwa modele zaproponowane przez badaczy nie są oparte na obserwacjach, lecz na symulacjach. Jeden z nich wskazuje na to, że wewnątrz tworzących gwiazd dochodzi do czegoś w rodzaju turbulencji, w wyniku których gwiazda się rozszczepia na dwie, które zaczynają potem krążyć wokół wspólnego środka masy.

Według drugiego modelu w dysku protogwiezdnym dochodzi do pewnych grawitacyjnych niestabilności, w wyniku których w innym jego punkcie niż w centrum gaz się skupia gęściej w jednym punkcie. Powoduje to, że powstaje drugi, mniejszy dysk wewnątrz pierwszego i ostatecznie rodzą się wówczas dwie gwiazdy o różnych masach orbitujących wokół wspólnego barycentrum.

Równe gwiezdne spiny

Chociaż nie możemy bezpośrednio obserwować systemu gwiezdnego i tego, jak wielokrotne gwiazdy tworzą razem system, badacze mogą mieć narzędzie, dzięki któremu możemy zawęzić możliwości do jednego z tych dwóch modeli. W nowym badaniu opublikowanym w magazynie The Astrophysical Journal Letters badaczka Stella Offers wraz z innymi pokazała, że moment pędu i wzajemnie ustawienie gwiazd w wielokrotnym systemie może pokazać, jak te systemu się uformowały.

Badanie wskazuje, że aby zaobserwować względne ustawienie gwiazd astronomowie mogą wypatrywać protogwiezdnych odpadów zwanymi jetami, będącymi materiałem wyrzucanym przez młodą gwiazdę w kierunku jej biegunów. Dzięki temu możemy stwierdzić, jak ustawiona jest oś rotacji gwiazdy.

Autorzy twierdzą, że zmiana momentu pędu gazu i orbitalna interakcja między protogwiazdami powoduje zmianę orientacji gwiazdy w przestrzeni. Bardziej prawdopodobne, że zmiany kątu nachylenia w systemie binarnym są zależne od obu gwiazd, a nie dokonują się oddzielnie.

Mówią również, że bazując na modelach możemy stwierdzić, że gwiazdy w systemach które uformowały się poprzez rozerwanie spowodowane turbulencjami obracałyby się z nierówną prędkością a ich osie nie byłyby równoległe. Działoby się tak ponieważ rozdzielone gwiazdy miałaby właściwości dość przypadkowe – ich moment pędu nie byłby zależny od siebie nawzajem.

Z drugiej strony hipoteza o tworzeniu się drugiej gwiazdy w innym miejscu dysku sugeruje, że mniejszy dysk byłby zależny od większego, ponieważ stworzyłby się wewnątrz niego. Wówczas osie obrotu gwiazd byłyby zwrócone w tą samą stronę.

Badacze używając komputerowych sytuacji sprawdzili, jak by się zachowały gwiazdy w sytuacji, gdy zasymulują przypadkowe turbulencje we wczesnych fazach ich rozwoju. Na dwanaście symulacji w pięciu powstały pojedyncze gwiazdy, w pięciu podwójne a w dwóch potrójne systemy gwiezdne.

Porównywanie do obserwacji

Aby porównać wyniki symulacji do dowodów obserwacyjnych grupa postanowiła sprawdzić, w jakich kierunkach zostają „wystrzelone” jety przez młode gwiazdy podwójne. Użyto do tego wyników obserwacji gwiazd zwanym MASSES – od ich pełnej nazwy Mass Assembly of Stellar Systems and their Evolution with the Submillimeter Array. Submilimeter Array jest siecią radioteleskopów znajdujących się na szczycie góry Mauna Kea na Hawajach i jest specjalnie zaprojektowane do obserwacji zimnego międzygwiezdnego gazu i pyłu.

Grupa Offner odkryła, że symulacje rozerwania przez turbulencje były zgodne z obserwacjami wykonanymi przez MASSES. Praca naukowa popiera hipotezę, że wielokrotne układy gwiezdne, których osie nie są ze sobą zgodne najprawdopodobniej powstały w wyniku takich turbulencji, a nie poprzez formowanie się mniejszych dysków protogwiezdnych w większych. Jednak MASSES zbadało tylko dziewiętnaście gwiazd podwójnych, więc autorzy uznali, że nie warto jeszcze wyciągać tak wczesnych wniosków i postanowili poczekać, aż pojawi się więcej dowodów obserwacyjnych na potwierdzenie ich teorii.