Само собой разумеется, что звезды, образовавшиеся из одного и того же облака материала, будут иметь одинаковую металличность. Этот факт лежит в основе некоторых направлений астрономических исследований, таких как поиск братьев и сестер Солнца. Но для некоторых двойных звезд это не всегда так. Их состав может быть разным, несмотря на то, что они образовались из одного и того же резервуара материала, и разница распространяется на их планетные системы.
Новое исследование показывает, что различия можно проследить еще на самых ранних стадиях формирования.
Двойные звезды являются нормой, тогда как одиночные звезды, такие как наше Солнце, находятся в меньшинстве. По некоторым оценкам, количество двойных звезд в Млечном Пути достигает 85%. Эти пары звезд образуются из одних и тех же гигантских молекулярных облаков. В каждом облаке имеется определенное количество металлов, и это изобилие должно отражаться в самих звездах.
Но это не всегда так.
Иногда металличность пары двойных звезд не совпадает. Астрофизики предложили этому три объяснения.
Два объяснения связаны с событиями, произошедшими позже в жизни звезды после того, как она покинула главную последовательность. Один из них — атомная диффузия, при которой химические элементы оседают в градиентных слоях звезды. Слои определяются гравитацией и температурой звезды. Второй связан с соседней планетой. По мере того как звезды стареют, расширяются и становятся красными гигантами, они поглощают близлежащие планеты. Планета внесет в звезду новый химический состав, отличающий ее от ее бинарного партнера.
Третье объяснение восходит во времени к образованию бинарной пары. Это объяснение гласит, что гигантское молекулярное облако, породившее звезды, не было однородным. Вместо этого существовали региональные различия в химическом составе облака, а звезды, образовавшиеся в разных местах, демонстрировали заметные различия в своем химическом составе.
Команда исследователей хотела изучить это третье объяснение, чтобы проверить его правдивость. Они использовали Южный телескоп Джемини и его оптический спектрограф высокого разрешения Джемини (GHOST) для изучения света пары гигантских двойных звезд. Наблюдения выявили существенные различия в их спектрах.
Они представили свои результаты в статье под названием «Распутывание происхождения химических различий с помощью GHOST». Оно опубликовано в журнале «Астрономия и астрофизика». Ведущий автор — Карлос Саффе из Института астрономических, наук о Земле и космосе (ICATE-CONICET) в Аргентине. Исследователи исследовали пару гигантских двойных звезд под названием HD 138202 + CD?30 12303.
Все три объяснения химических различий между двойными звездами основаны на исследованиях звезд главной последовательности. Основная последовательность — это место, где звезды проводят большую часть своего времени, надежно превращая водород в гелий в течение миллиардов лет.
Но Саффе и его коллеги выбрали другой подход. Они использовали Gemini и GHOST, чтобы изучить пару двойных звезд, которые покинули главную последовательность и стали звездами-гигантами. Эти звезды отличаются от звезд главной последовательности.
«Чрезвычайно высококачественные спектры GHOST обеспечивали беспрецедентное разрешение, — сказал Саффе, — позволяя нам измерять звездные параметры звезд и их химическое содержание с максимально возможной точностью».
Эти звезды переживают потрясения. Драг-ап — это когда зона конвекции звезды простирается от поверхности до места, где происходит термоядерный синтез. Это мощные конвективные потоки, которые смешивают продукты термоядерного синтеза с поверхностным слоем звезды, когда звезда главной последовательности становится красным гигантом.
Однако исследователи говорят, что землечерпалки и атомная диффузия, которую они вызывают, не могут объяснить большую разницу между звездами.
Конвекционные потоки также исключают второе предложенное объяснение: планетарное поглощение. При таких сильных течениях химические вещества с захваченной планеты быстро растворятся. «Считается, что звезды-гиганты значительно менее чувствительны к событиям поглощения, чем звезды главной последовательности», — пишут авторы.
Авторы пошли дальше и рассчитали количество планетарного материала, которое должна переварить звезда-гигант, чтобы вызвать разницу в металличности между звездами. «По нашим оценкам, звезда А должна была поглотить от 11,0 до 150,0 масс Юпитера планетарного материала, в зависимости от принятой массы конвективной оболочки и металлического содержания поглощённой планеты», — объясняют авторы. Это очень много материала. Они также объясняют, что планеты должны были иметь чрезвычайно высокую металличность, чтобы низкое значение массы Юпитера в 11 раз вызывало химические различия.
Остается только одно объяснение: неоднородности молекулярного облака.
«Это первый раз, когда астрономы смогли подтвердить, что различия между двойными звездами начинаются на самых ранних стадиях их формирования», — сказал Саффе.
«Используя возможности прецизионного измерения, предоставляемые инструментом GHOST, Gemini South сейчас собирает наблюдения за звездами в конце их жизни, чтобы выявить среду, в которой они родились», — сказал Мартин Стилл, директор программы NSF Международной обсерватории Джемини. . «Это дает нам возможность исследовать, как условия формирования звезд могут влиять на все их существование на протяжении миллионов или миллиардов лет».
Результаты во многом объясняют, почему пара двойных звезд может иметь разный состав. Но они достигают даже большего. Они также объясняют, почему пара двойных звезд может иметь такие разные планетные системы. «Различные планетные системы могут означать очень разные планеты — скалистые, похожие на Землю, ледяные гиганты, газовые гиганты — которые вращаются вокруг своих звезд-хозяев на разных расстояниях и где потенциал для поддержания жизни может быть очень разным», — сказал Саффе.
Но результаты также представляют собой проблему. Астрономы используют химическую метку, чтобы идентифицировать звезды, связанные друг с другом. Ожидается, что звезды из одного звездного питомника будут иметь схожие составы. Но этот метод кажется ненадежным в свете этих результатов.
Результаты также бросают вызов идее о том, что различия в составе двойных звезд можно объяснить поглощением планет. Вместо этого эти различия могут быть связаны с самыми ранними днями формирования звезд.
«Впервые показав, что первичные различия действительно существуют и ответственны за различия между звездами-близнецами, мы показываем, что формирование звезд и планет может быть более сложным, чем первоначально предполагалось», — сказал Саффе. «Вселенная любит разнообразие!»
Единственным недостатком этого исследования является размер выборки. Небольшие размеры выборки всегда предостерегают: они могут привести к конечному выводу, но самостоятельно не позволяют сделать надежные выводы. Авторы это знают.
«Мы настоятельно поощряем изучение пар гигант-гигант», — заключают исследователи. «Этот новый подход может помочь нам определить причину небольших химических различий, наблюдаемых во многих системах».
