Z chemicznego punktu widzenia ta gwiazda to „relikt młodego Wszechświata”. Jej atmosfera jest pełna tak zwanych pierwiastków alfa, czyli cięższych od helu składników, które często spotyka się w bardzo starych gwiazdach powstałych w pierwszych falach formowania się galaktyk. Patrząc tylko na ten chemiczny podpis, naukowcy oceniliby jej wiek na około 10 miliardów lat, czyli dwa razy więcej niż ma Słońce.
Problem w tym, że przyglądając się jej wnikliwiej, obraz kompletnie się nie zgadza. Zespół badaczy wykorzystał dane z sondy TESS i zastosował asterosejsmologię, czyli analizę drgań gwiazdy. Delikatne pulsacje powodują subtelne zmiany jasności, które da się zmierzyć i zinterpretować podobnie jak fale sejsmiczne w badaniach wnętrza Ziemi. Z tych „gwiezdnych trzęsień” wyszło, że obiekt ma około 5 miliardów lat. Innymi słowy, chemia mówi „bardzo stara”, wnętrze odpowiada, że wcale nie.
Dodatkowo gwiazda obraca się zaskakująco szybko. Obserwacje z teleskopów naziemnych pokazały, że pełny obrót wokół własnej osi zajmuje jej mniej więcej 398 dni. Jak na czerwonego olbrzyma o takim wieku to tempo jest stanowczo zbyt duże. Zazwyczaj tego typu gwiazdy wytracają pęd obrotowy i z czasem “hamują”. Tu ktoś wyraźnie docisnął kosmiczny pedał gazu.
Cicha czarna dziura w tle
Tę zagadkową gwiazdę znaleziono nie w pustce, lecz jako towarzyszkę w bardzo szczególnym układzie pod nazwą Gaia BH2. To tzw. uśpiona czarna dziura, która praktycznie nie świeci w promieniach X, bo nie pożera aktywnie materii z otoczenia. Na pierwszy rzut oka wygląda więc jak zwykły, spokojny gwiezdny duet.
Jej obecność zdradzają dopiero bardzo precyzyjne pomiary ruchu gwiazdy. Misja Gaia śledzi pozycje i ruchy setek milionów obiektów w Drodze Mlecznej. Jeśli wokół niewidocznej czarnej dziury krąży gwiazda, jej trajektoria nie jest idealnie gładka, tylko delikatnie „faluje”. Właśnie taki subtelny taniec udało się wychwycić w przypadku Gaia BH2. To dowód, że jasny czerwony olbrzym tańczy z niewidzialnym partnerem o masie gwiazdowej czarnej dziury.
To ważne, bo do niedawna większość znanych nam czarnych dziur to obiekty bardzo aktywne, świecące intensywnie, gdy wciągają gaz z otoczenia. Uśpione układy, takie jak Gaia BH2, mogą być w Galaktyce liczne, ale były po prostu trudne do zauważenia. Teraz okazuje się, że kryją przy okazji niezwykle ciekawych świadków kosmicznej przemocy.
Ślady gwiezdnej kolizji
Jak wyjaśnić tak osobliwą kombinację: starą chemię, młody wiek i przyspieszony obrót? Najbardziej prawdopodobny scenariusz jest mało romantyczny, za to bardzo dynamiczny. Gwiazda mogła kiedyś połączyć się z inną gwiazdą albo „nabrać masy” z towarzyszki, która później zamieniła się w czarną dziurę. Taka kosmiczna kanibalizacja tłumaczyłaby, skąd w jej wnętrzu tak dużo pierwiastków alfa oraz dlaczego obraca się tak szybko. Przyjęcie dużej ilości materii oznacza zastrzyk zarówno masy, jak i momentu pędu.
W praktyce wyglądałoby to mniej więcej tak: w układzie podwójnym jedna z gwiazd kończy życie gwałtowniej, eksploduje jako supernowa i zapada się w czarną dziurę. Zanim do tego dojdzie, intensywnie zrzuca zewnętrzne warstwy. Jej sąsiadka, dzisiejszy czerwony olbrzym, przechwytuje część wyrzuconego materiału. Zyskuje dodatkowe paliwo i specyficzny chemiczny podpis, który pamięta epokę formowania się pierwszych populacji gwiazd.
To tak, jakby stosunkowo młody sportowiec odziedziczył organizm po dużo starszym, ale bardzo „wysiłkowym” zawodniku. W dokumentacji medycznej wszystko wskazuje na bardzo długą historię treningów i kontuzji, a w metryce wieku wcale tego nie widać. Właśnie taki rozdźwięk dostrzegamy teraz w przypadku gwiazdy z Gaia BH2.
Gaia BH3 i gwiazdy, które nie chcą drgać
Co więcej, to nie jedyny taki dziwny przypadek. Naukowcy przyjrzeli się też innemu układowi z uśpioną czarną dziurą, znanemu jako Gaia BH3. Tamtejsza gwiazda to obiekt o ekstremalnie małej zawartości metali, który powinien być podręcznikowym przykładem tego, jak drgają bardzo stare gwiazdy. Teoria mówiła jasno: asterosejsmologia powinna wykryć wyraźne oscylacje.
Tymczasem teleskopy nie zarejestrowały praktycznie żadnych spodziewanych pulsacji. To kolejny sygnał, że nasze modele ewolucji gwiazd, zwłaszcza tych bardzo ubogich w ciężkie pierwiastki, wymagają poprawek. Jeśli gwiazda „nie chce” drgać tak, jak przewidują obliczenia, problem nie jest w gwieździe, tylko w teorii.
Ta para zagadek, Gaia BH2 i Gaia BH3, to dla astrofizyków coś w rodzaju dwóch trudnych zadań domowych. Jedno uczy pokory wobec złożonych historii układów podwójnych, drugie pokazuje, że przy najstarszych gwiazdach nasze równania mogą się zwyczajnie mylić.
Co nam mówi „niemożliwa” gwiazda?
Z pozoru to bardzo specjalistyczna historia o jednej czerwonej gwieździe i jednej czarnej dziurze. W praktyce może zmienić sposób, w jaki patrzymy na całą populację gwiazd w Drodze Mlecznej. Jeśli takie „młode, a stare” obiekty są rzadkością, to każdy z nich staje się bezcennym archiwum przemocy, która ukształtowała galaktykę: zderzeń gwiazd, wybuchów supernowych, narodzin czarnych dziur.
Kolejne kampanie obserwacyjne TESS i dalsze dane z Gai powinny pomóc sprawdzić, czy scenariusz z połączeniem gwiazd rzeczywiście tłumaczy tę osobliwą kombinację cech. Być może uda się znaleźć więcej takich układów, w których uśpione czarne dziury i ich towarzysze zdradzają dawne kolizje, które nie zostawiły już żadnego innego śladu.
Dla nas, zwykłych mieszkańców jednej z galaktycznych dzielnic, to przypomnienie, że nawet w pozornie spokojnym kosmosie nic nie jest tak proste, jak wydaje się w szkolnych schematach. Gwiazdy mogą kłamać na temat swojego wieku, czarne dziury potrafią znikać z oczu, a fizyka, którą uznawaliśmy za „domkniętą”, co jakiś czas dostaje nowe, bardzo trudne pytania.