Výzkumy v ASU AV ČR (204): Výbuchy nov v galaxii M83

Spirální galaxii M83 přezdívanou Jižní větrník nalezneme v souhvězdí Hydry ve vzdálenosti patnácti milionů světelných let. Patří mezi nejjasnější galaxie na obloze a zpozorujeme ji i triedrem jen kousek od Spicy, nejjasnější hvězdy souhvězdí Panny. Jde o masivní spirální galaxii se slabou příčkou se zřejmými známkami probíhající tvorby hvězd. Galaxii pozorujeme téměř přesně shora, takže je velmi dobrým cílem pro systematická sledování přechodných jevů. 

Mezi tyto jevy rozhodně patří klasické novy. Novy jsou kataklyzmickými proměnnými, v nichž dochází k přetoku hmoty ze stárnoucí rozepnuté hvězdy na kompaktního bílého trpaslíka v polodotykovém dvojhvězdném systému. Přitékající látka vytváří na bílém trpaslíku slupku, jejíž hmotnost, ale i teplota postupně roste. Jakmile teplota překročí limit asi 20 milionů stupňů, dojde k překotné termojaderné reakci na povrchu, které se projeví jako náhlé velmi prudké zjasnění. Po prudkém zážehu jasnost novy klesá a na původní hodnoty se vrací typicky po mnoha desítkách až stovkách dní. Díky své vrcholové jasnosti mohou být novy zaznamenány na opravdu velké vzdálenosti. Třeba v jiných galaxiích. 

Kamil Hornoch z ASU v létě roku 2002 objevil svoji vůbec první extragalaktickou novu v galaxii M31 v Andromedě. Další objevy následovaly a díky velmi propracované metodice se Kamil stal velmi rychle světovou špičkou v tomto oboru. Objevoval novy nejen v M31, ale v dalších jasných galaxiích. Disciplína hledání extragalaktických nov se brzy stala velkým hitem a vznikaly rozsáhlé mezinárodní kolaborace.  

Jednou z velmi dobře studovaných galaxií byla i M83, v níž celý tým objevil za téměř sedm let celkem 19 nov. Mezi prosincem 2012 a březnem 2019 pozorovatelé z českých institucí, K. Hornoch samozřejmě mezi nimi, využili celkově 205 jasných nocí, aby pořídili snímky galaxie M83. Šlo o doplňkový program na 1,54metrovém Dánském dalekohledu na observatoři La Silla v Chile. To zajistilo přístrojově homogenní pozorovací materiál, s jehož pomocí bylo možné vykonat systematickou studii. Zorné pole kamery bylo o málo větší než zdánlivá velikost galaxie, i když autoři připouštějí, že určitá část galaktického hala již zorným polem nebyla pokryta. Většina snímků byla pořízena ve fotometrickém filtru R, některé pak i ve filtru I. 

Pořízené snímky byly zpracovány víceméně standardní metodou zahrnující odečtení temného snímku a vyčítacího šumu, a také podělení rovným snímkem. I na hledání nov je k dispozici již víceméně standardní metodika, která v základu vychází ze vzájemného porovnání po sobě pořízených snímků zarovnaných jeden na druhý. Pokud jsou tyto snímky problikávány, „nová hvězda“ je velmi snadno objevena, neboť na předchozím snímku není přítomna. Protože mohou být novy snadno zaměněny například s některými proměnnými hvězdami, získávali autoři ze série snímků světelné křivky nových objektů, neboť světelné křivky nov mají charakteristický tvar. Doplňkové snímky ve filtru I byly použity k odlišení nov od proměnných hvězd typu Mira Ceti.

Přímé porovnání dvou snímků je problematické v centru galaxie, kde je pozaďový jas a jeho gradient tak vysoký, že se v něm novy snadno ztratí. V těchto oblastech autoři nejprve na snímky aplikovali mediánový filtr, který gradient pozadí potlačil, a teprve potom snímky vzájemně porovnávali. Kromě přímého porovnávání snímků jejich problikáváním autoři použili též odečítání snímků, které se ukázalo být významně citlivějším v oblastech s vysokým pozadím. 

Autoři spolehlivě identifikovali devatenáct nov, které reprezentují vůbec první vzorek nov v galaxii M83. Navíc ještě objevili jeden přechodný jev, který byl velmi blízko jádru zatím neoznačené spirální galaxie na pozadí. Světelná křivka tohoto jevu se podobá spíše supernovám než novám, takže autoři věří, že jako vedlejší produkt objevili i supernovu v této vzdálenější galaxii. 

Téměř dvě desítky nov je již dostatečný vzorek na statistické studie. Autory například zajímalo, zda prostorové rozdělení pozic objevených nov odpovídá prostorovému rozdělení pozaďového jasu galaxie, který přibližně reprezentuje množství hvězd v dané oblasti galaxie. Zde si autoři uvědomili, že jejich vzorek pozorování není nejspíš kompletní, přičemž množství možná uniklých nov jistě roste směrem ke středu galaxie z důvodu vyššího pozaďového jasu galaxie. I tak je z konstruované distribuční funkce jasné, že počet nov klesá se vzdáleností od středu pomaleji než galaktické světlo. Z toho vyplývá, že pozorované novy nejspíše souvisejí s populací hvězd rozšířeného disku. 

Nekompletnost pozorovaných exemplářů se však týká i limitu nastaveného jasností nov. S pomocí Monte-Carlo simulace autoři odhadli, kolik nov jim nejspíše uniklo z důvodu jejich slabosti. Simulace ukazuje, že pro novy s jasností 21 magnitud a jasnější je jejich vzorek prakticky kompletní. S klesající jasností však nekompletnost roste a úspěšnost dosahuje nuly pro novy s jasností 23 magnitud a slabší. Test kompletnosti vzorku je velmi důležitý, neboť s jeho pomocí lze získat důležité korekční faktory. Ty pak lze aplikovat například na odhad četnosti nov v celé galaxii. Z něho vyplývá, že v M83 vybuchne v průměru 18⁺⁵_‒3 nov za rok. Pokud se vezme v úvahu, že v zorném poli chybí určitá část hala galaxie, vzroste tento odhad četnosti nov v M83 o jedničku. 

Je zajímavé porovnat tuto hodnotu mezi různými galaxiemi. V tom případě je ale třeba normalizovat četnost výbuchů nov nejlépe na hmotnost galaxie, což však není často možné. V oboru se ujalo posuzovat hmotnost galaxie nepřímo přes celkovou svítivost galaxie v infračerveném pásmu K. Takto normalizovaná četnost výbuchů nov v M83 nijak nevybočuje z hodnot určených pro většinu z ostatních patnácti galaxií, pro které byla dosud stanovena.

U osmnácti z objevených devatenácti nov se podařilo slušně pokrýt jejich světelnou křivku. Autoři tak získali jedinečnou příležitost otestovat na tomto vzorku, zda existuje vztah mezi vrcholovou jasností novy a rychlostí poklesu jasnosti. Předchozí studie prováděné především na novách z naší Galaxie a galaxie M31 v Andromedě ukázaly, že takový vztah zřejmě existuje: čím je nova jasnější, tím rychlejší je její pokles. Pozdější studie však poukázaly na značný rozptyl reálných měření od tohoto předpokládaného vztahu a některé jej dokonce zpochybnily úplně. U nov v naší Galaxii může do vztahu vstupovat špatně změřená nebo odhadnutá vzdálenost novy, což ovlivní výpočet její absolutní jasnosti. Pro novy v cizích galaxiích však závislost na vzdálenosti mizí, neboť vzhledem ke vzdálenosti galaxie od pozorovatelů jsou všechny novy v této galaxii od Země téměř stejně daleko. Pro vzorek z M83 se ukazuje, že s určitými odchylkami zde vztah mezi maximální svítivostí a rychlostí poklesu existuje. 

Pokud porovnáme distribuční funkci jasností nov v M83 a tou v M31, jsou zde patrné rozdíly. Zdá se, že v M83 je větší zastoupení více jasných nov ve srovnání s M31. V součinnosti s předchozím zjištěním také v průměru klesají v jasnosti o něco rychleji. Vysvětlení může být v rozdílnosti galaxií. M31 je raná spirální galaxie, kde pozorované novy souvisejí do značné míry s hvězdnou populací galaktické výdutě. V M83 souvisejí novy výrazněji s populací disku. Zdá se tedy, že by opravdu mohly obecně existovat dvě různé populace nov: rychlé a jasné novy diskové a pomalejší a méně jasné novy výdutě. Tento závěr ostatně již před třiceti lety naznačovaly studie prováděné na novách naší Galaxie. 

Studie velmi pěkně ukazuje, že amatérský astronom může i v dnešní době produkovat data v množství i kvalitě, která vedou k rozvoji úspěšné astronomické disciplíny, jejíž závěry široce ovlivňují obory jako je vznik a vývoj hvězd a dynamika a vývoj hvězdných populací v galaxiích. 

REFERENCE

A. W. Shafter, K. Hornoch a kol., A Survey of Novae in M83, Astrophysical Journal v tisku, preprint arXiv:2110.00676

KONTAKT

Kamil Hornoch
kamil.hornoch@asu.cas.cz
Oddělení Meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení meziplanetární hmoty ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.