Výzkumy v AsÚ AV ČR (16): Vliv rotačního směšování a metalicity na ztrátu hmoty hvězdným větrem
Vývoj každé hvězdy je podle současných představ dán prakticky ihned po jejím vzniku, a silně závisí především na její hmotnosti. Vývojové modely rigorózně popisují jednotlivá stádia hvězd, od protohvězd přes pobyt na hlavní posloupnosti až k expanzi mezi rudé obry a závěrečná stádia. Ukazuje se, že v popisu přesnými rovnicemi je velká neznámá, která má vliv především na způsob, jakým ta která hvězda svůj život ukončí. Tou neznámou je ztráta hmoty hvězdným větrem. Jiří Kubát ze Stelárního oddělení AsÚ se podílel na studii, jež si vzala za cíl popsat vliv změn chemického složení vyvolaného rotačním směšováním na ztrátu hmoty horkých hvězd hvězdným větrem.
Vliv chemického složení na rychlost ztráty hmoty hvězdným větrem je znám již nějakou dobu. Hvězdné větry horkých hvězd vznikají odlišným mechanismem než vítr našeho Slunce. U horkých hvězd je neustálá expanze atmosféry hnána gradientem tlaku záření. Mechanismus je tedy důsledkem interakce záření hvězdy s látkou v její řídké atmosféře. Aby mechanismus mohl fungovat, musí být alespoň v části spektra látka pro pronikající záření ne zcela průhledná, odborně řečeno, musí mít nějakou opacitu. Opacitní koeficienty jsou v řídkém prostředí hvězdných atmosfér obvykle nenulové v rezonančních absorpčních spektrálních čarách chemických prvků, v nichž je vyšší pravděpodobnost absorpce procházejícího fotonu a předání jeho energie a hybnosti látce.
V atmosférách horkých hvězd jsou považovány za zdroj opacity především tzv. kovy, tedy v astronomické hantýrce chemické prvky těžší než vodík nebo helium. Poměrné chemické zastoupení „kovů“ se označuje pojmem metalicita. Současné paradigma je tedy takové, že máme-li dvě identické hvězdy, které se liší pouze chemickým složením, tak od hvězdy s vyšší metalicitou povane mohutnější hvězdný vítr.
Hvězdy v naší Galaxii mají nejspíš metalicitu velmi podobnou našemu Slunci. S rozvojem velkých dalekohledů jsou však astronomům dostupné k výzkumu i hvězdy v jiných galaxiích z Místní skupiny, které mají obecně chemické složení jiné. Metalicita hvězd Velké galaxie v Andromedě (M31) je v průměru vyšší než hvězd naší Galaxie, galaxie v Trojúhelníku (M33) srovnatelná s tou naší a naopak metalicita Magellanových oblaků je nižší než metalicita hvězd Mléčné dráhy.
Nabízí se otázka, zda dvě stejné hvězdy ve stejném vývojovém stádiu, mající i v průměru stejné chemické složení, budou nutně vykazovat stejnou ztrátu hmoty hvězdným větrem. Ukazuje se, že ne, a že svoji roli může hrát rotace a další systematické pohyby látky, jakým je například meridionální proudění, jehož ustanovení je pro rotující hvězdy nevyhnutelné. Tyto pohyby mohou prostřednictvím nestabilit vynášet materiál z hvězdného nitra obohacený o těžší prvky (tyto prvky vznikají v jádře termonukleárními reakcemi), čímž zvyšují neprůhlednost atmosféry pro záření a zvětšují ztrátu hmoty hvězdným větrem. Nejdůležitější jsou v tomto procesu prvky uhlík (C), dusík (N) a kyslík (O), jež jsou součástí termonukleárního CNO cyklu, který se realizuje v nitrech horkých hvězd. Přestože existují o tomto procesu rotačního mixování spektroskopické důkazy, efekt na mohutnost hvězdného větru nebyl doposud teoreticky studován.
J. Kubát společně s J. Krtičkou z Masarykovy university v Brně využili vlastního modelu zářením hnaného hvězdného větru ke studiu vlivu změn chemického složení na rychlost ztráty hmoty. Použitý model je vnitřně plně konzistentní, nevyužívá žádných volných parametrů a předpovídá rychlost ztráty hmoty čistě z parametrů studované hvězdy. Model v sobě kombinuje řešení rovnice přenosu záření, rovnice statistické rovnováhy a hydrodynamických rovnic.
V publikované práci vyšetřovali rychlost ztráty hmoty pro hvězdy spektrálního typu O v rozsahu efektivních teplot 30 000 až 42 500 K pro tři luminozitní třídy (hlavní posloupnost, obry a nadobry). Všímali si zejména vlivu změn v koncentraci prvků C, N a O. Jejich práce ukazuje, že vliv čar CNO je důležitý především pro hvězdy s malou původní metalicitou. Pro rychlost ztráty hmoty takových hvězd by tedy bylo velmi důležité, s jakou rychlostí rotují a jaká charakter tato rotace má. Naproti tomu u hvězd slunečního chemického složení je vliv rotačního promíchávání na rychlost ztráty hmoty zanedbatelný.
Autoři dále poukazují na to, že rychlost ztráty hmoty není pouze funkcí metalicity, ale že závisí také na hmotnosti hvězdy, jejím rozměru a efektivní teplotě. To v praxi znamená, že vyšetřuje-li se hvězdný vítr separátně bez ohledu na vývoj hvězdy v minulosti, nemusí být výsledky zcela správné. Naopak, výpočet modelu vývoje hvězdy by měl jít ruku v ruce s modelováním hvězdného větru a ztráty hmoty. Teoretická práce J. Krtičky a J. Kubáta je tak důležitou sondou do dějů ovlivňujících další hvězdný vývoj.
Reference: Krtička, J. a Kubát, J., Effect of rotational mixing and metallicity on the hot star wind mass-loss rates, Astronomy and Astrophysics 567 (2014) A63, arXiv:1406.1288
Kontakt: doc. RNDr. Jiří Kubát, CSc., kubat@sunstel.asu.cas.cz
Převzato z webu Astronomického ústavu AV ČR.