Riješena 50 godina stara zagonetka zvijezde Cih

Cih, poznata i kao Tsih ili Gama Kasiopeje (γ Cassiopeiae), desetljećima je bila jedna od najneobičnijih zvijezda vidljivih golim okom. Iako je riječ o masivnoj zvijezdi u zviježđu Kasiopeje, njezino  rendgensko zračenje bilo je previše snažno, prevruće i previše promjenjivo da bi se moglo objasniti na uobičajen način. Nova opažanja sada pokazuju da izvor tog zračenja nije sama zvijezda, nego bijeli patuljak koji kruži oko nje.

Time je napokon riješena zagonetka koja je zbunjivala astrofizičare još od 1970-ih. Istodobno je potvrđeno i postojanje cijele skupine binarnih sustava koje su teorijski modeli odavno predviđali, ali ih astronomi dosad nisu uspjeli jasno izdvojiti u opažanjima.

Istraživanje su vodili astronomi sa Sveučilišta u Liègeu, a rezultati su objavljeni u časopisu Astronomy & Astrophysics.

Trag u kretanju plazme

Cih je još 1866. ušla u povijest kao prva prepoznata zvijezda tipa Be, zahvaljujući talijanskom astronomu Angelu Secchiju. Riječ je o masivnim zvijezdama koje brzo rotiraju i povremeno izbacuju tvar, pri čemu se oko njih stvara disk. Njegova se prisutnost prepoznaje po karakterističnim emisijskim crtama u optičkom dijelu spektra.

Pravi problem pojavio se 1976., kada je postalo jasno da Cih emitira rendgenske zrake približno 40 puta snažnije od usporedivih masivnih zvijezda. Plazma koja proizvodi to zračenje zagrijana je na više od 100 milijuna stupnjeva, a cijeli sustav pokazuje i neuobičajeno brze promjene. Tijekom sljedeća dva desetljeća velika svemirska opažanja otkrila su još dvadesetak objekata sa sličnim svojstvima, pa je izdvojena posebna podskupina poznata kao analozi Gama Kasiopeje. Astronomi iz Liègea pritom su imali važnu ulogu jer su identificirali više od polovice poznatih primjera.

Za objašnjenje takvog zračenja s vremenom je predloženo nekoliko mogućih scenarija. Prema jednom, izvor su lokalne magnetske rekonekcije između površine zvijezde tipa Be i njezina diska. Drugi su mogućnost tražili u pratitelju, bilo da je riječ o zvijezdi ogoljenoj od vanjskih slojeva, neutronskoj zvijezdi ili bijelom patuljku koji akrecijom privlači tvar. Istraživači sa Sveučilišta u Liègeu ranije su već odbacili prva dva tipa pratitelja jer nisu bili u skladu ni s opažanjima ni s teorijskim predviđanjima. Tako su kao najizglednija objašnjenja ostali akreirajući bijeli patuljak i magnetske interakcije, ali bez izravnog opažačkog dokaza nije bilo moguće presuditi.

Odgovor je donijela promatračka kampanja provedena instrumentom Resolve na japanskom svemirskom teleskopu XRISM. Taj mikrokalorimetar omogućuje iznimno precizna spektralna mjerenja i već sada bitno širi mogućnosti istraživanja svemira u području visokih energija. Sustav je promatran u prosincu 2024., zatim u veljači i lipnju 2025., čime je obuhvaćen cijeli raspon orbitalnog kretanja binarnog sustava s periodom od 203 dana.

Presudan dokaz stigao je upravo iz spektra. Pokazalo se da se signali ultra-vruće plazme u ta tri opažanja pomiču tako da prate orbitalno kretanje bijelog patuljka, a ne zvijezde tipa Be. To je prvi izravni dokaz da je plazma odgovorna za rendgensko zračenje povezana s kompaktnim pratiteljem, a ne sa samom zvijezdom Cih.

Dodatno pojašnjenje dala je i širina tih signala, koja iznosi oko 200 kilometara u sekundi. To je premalo za scenarij s nemagnetskim bijelim patuljkom, jer bi u tom slučaju tvar padala kroz unutarnje dijelove diska koji kruže vrlo velikim brzinama i stvarala bi znatno šire spektralne značajke. Opažanja zato upućuju na drukčiju sliku: bijeli patuljak je magnetski, disk je prekinut, a magnetsko polje usmjerava tvar prema njegovim polovima.

Novi izazov za modele

Takav zaključak važan je i izvan okvira jednog dugotrajnog astronomskog problema. Cih i srodni objekti sada se mogu prepoznati kao dvojni sustavi sastavljeni od zvijezde tipa Be i bijelog patuljka, odnosno kao populacija koju su astronomi dugo očekivali, ali je dosad nisu uspjeli jasno potvrditi opažanjima.

Istraživači su pritom izdvojili i dvije važne osobitosti te skupine. Čini se da se takvi sustavi ponajprije pojavljuju među masivnim zvijezdama tipa Be te da obuhvaćaju oko 10 posto njih. Teorijski modeli, međutim, predviđali su ne samo veći udio takvih sustava nego i jaču povezanost sa zvijezdama tipa Be manje mase.

Upravo tu sada nastaje novo istraživačko pitanje. Ako opažanja vjerno odražavaju stvarno stanje, modeli evolucije binarnih sustava morat će se doraditi, osobito kada je riječ o učinkovitosti prijenosa mase između dviju sastavnica. Yaël Nazé sa Sveučilišta u Liègeu istaknula je da se taj zaključak podudara i s više nedavnih neovisnih studija.

Rješavanje zagonetke zvijezde Cih zato ne zatvara priču, nego otvara novu istraživačku fazu. Razumijevanje razvoja masivnih binarnih sustava važno je i mnogo šire, jer upravo takvi sustavi na kraju svojega života mogu postati izvori gravitacijskih valova. Drugim riječima, objašnjenje neobičnog rendgenskog zračenja jedne poznate zvijezde moglo bi pomoći i u razumijevanju nekih od najenergetskijih pojava u svemiru.