Gwiezdna pozostałość ujawniła pochodzenie radioaktywnych cząstek

Astronomowie użyli instrumentów ALMA i NOEMA do przeprowadzenia pierwszej definitywnej detekcji radioaktywnej cząsteczki w przestrzeni międzygwiazdowej. Radioaktywną częścią cząsteczki jest izotop aluminium. Obserwacje pokazały, że izotop został rozprzestrzeniony po zderzeniu dwóch gwiazd, którego pozostałością jest CK Vulpeculae. Są to pierwsze bezpośrednie obserwacje tego pierwiastka ze znanego źródła. Wcześniejsze identyfikacje tego izotopu pochodziły z detekcji promieniowania gamma, ale ich dokładne pochodzenie było nieznane.

Zespół, którym kierował Tomasz Kamiński (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA), użył Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) oraz NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) do wykrycia źródła radioaktywnego izotopu aluminium-26. Źródło, znane jako CK Vulpeculae, było po raz pierwszy obserwowane w 1670 r. i wtedy ujawniło się obserwatorom jako jasna, czerwona "nowa gwiazda". Początkowo widoczna nieuzbrojonym okiem, szybko osłabła i obecnie potrzeba potężnych teleskopów, aby zobaczyć pozostałości po tym merdżerze (mergerze) - słabą centralną gwiazdę otoczoną przez halo świecącej materii oddalającej się od niej.

348 lat po początkowych obserwacjach zdarzenia, pozostałości po tym wybuchowym gwiezdnym merdżerze doprowadziły do wyraźnej i przekonywującej detekcji sygnatury radioaktywnej wersji aluminium, znanej jako aluminium-26. Jest to pierwsza niestabilna molekuła radioaktywna wykryta poza Układem Słonecznym w sposób definitywny. Niestabilne izotopy mają nadwyżkę energii jądrowej i rozpadają się do stabilnych form.

- Pierwsze obserwacje tego izotopu w obiekcie typu gwiazdowego są ważne w szerszym kontekście chemicznej ewolucji galaktycznej. Po raz pierwszy w sposób bezpośredni zidentyfikowano aktywnego producenta radioaktywnego nuklidu aluminium-26 - zauważył Kamiński.

Kamiński i jego zespół wykryli unikalną widmową sygnaturę molekuł złożonych z aluminium-26 oraz fluoru (26AlF) w materii otaczającej CK Vulpeculae, która znajduje się około 2000 lat świetlnych od Ziemi. Ponieważ molekuły te obracają się i wirują, emitują charakterystyczny "odcisk palca" na falach milimetrowych. Proces ten jest znany jako przejście rotacyjne. Astronomowie uważają to za podstawowy standard w detekcji molekuł.

Obserwacje tego szczególnego izotopu dostarczyły nowego wglądu w proces merdżera, który utworzył CK Vulpeculae. Pokazały także, że głębokie, gęste, wewnętrzne warstwy gwiazdy, gdzie tworzone są ciężkie pierwiastki i radioaktywne izotopy, mogą zostać wyrzucone w przestrzeń kosmiczną podczas gwiezdnych kolizji.

- Obserwujemy wnętrzności gwiazdy rozerwane trzy wieki temu w wyniku kolizji - dodał Kamiński.

Astronomowie ustalili także, że dwie gwiazdy, które się zderzyły, były względnie małomasywne. Jedna z nich była czerwonym olbrzymem o masie pomiędzy 0,8, a 2,5 masy Słońca.

Będąc radioaktywne, aluminium-26 ulega rozpadowi do bardziej stabilnej formy. W tym procesie jeden z protonów w jądrze zmienia się w neutron, a wzbudzone jądro emituje foton o bardzo dużej energii, który obserwujemy w promieniowaniu gamma.

Detekcje emisji promieniowania gamma pokazały wcześniej, że w Drodze Mlecznej występuje aluminium-26 w ilości około dwóch mas Słońca, ale proces, który wytworzył radioaktywne atomy był nieznany. Co więcej, na skutek sposobu, w jaki promieniowanie gamma jest wykrywane, jego dokładne pochodzenie także było w większości nieznane. Dzięki nowym pomiarom astronomowie po raz pierwszy definitywne wykryli niestabilny radioizotop w cząsteczce poza naszym Układem Słonecznym.

Jednak w tym samym czasie zespół stwierdził, iż produkcja aluminium-26 przez obiekty podobne do CK Vulpeculae raczej nie może być głównym źródłem aluminium-26 w Drodze Mlecznej. Masa aluminium-26 w CK Vulpeculae wynosi prawie jedną czwarta masy Plutona, a ponieważ takie zdarzenia są niezmiernie rzadkie, jest wielce nieprawdopodobne, że samodzielnie mogą być jedynymi producentami tego izotopu w Drodze Mlecznej. Pozostawia to otwarte drzwi do dalszych badań radioaktywnych molekuł.