Litowe szarady

Czy czerwony olbrzym pochłania swoje planety?
Źródło: NASA
Lit jest najlżejszym metalem – w astronomii, gdzie metalami nazywa się wszystkie pierwiastki cięższe od helu, a także w chemii, gdzie by zostać metalem dany pierwiastek musi wykazać szereg właściwości . Wchodzi w skład skorupy ziemskiej, głównie pod postacią minerałów. Pozyskujemy ten pierwiastek do produkcji dobrze nam znanych baterii litowych, lit jest także używany w przemyśle jądrowym oraz w medycynie (sole litu). Minerały, w których składzie znajdujemy lit, takie jak na przykład spodumen i lepidolit, są pozyskiwane także w celach kolekcjonerskich i jubilerskich.


Przetwarzanie litu na nasze potrzeby mamy dobrze opanowane. Przetwarzanie litu przez gwiazdy jest ciągle wielką zagadką dla astronomów.

 
 Atom litu. Źródło: Wikipedia


Lit – stary jak (Wszech)świat


Dla astronomii lit ma bardzo duże znaczenie, przede wszystkim dlatego, że jest jednym z trzech pierwiastków wyprodukowanych podczas Wielkiego Wybuchu (ściśle rzecz biorąc w Wielkim Wybuchu powstały izotopy wodoru, helu i litu). Z pierwotnej materii powstały pierwsze gwiazdy i ruszyła produkcja bardziej różnorodnej materii. Obserwując dzisiaj gwiazdy staramy się zrozumieć zachodzące w nich reakcje chemiczne, między innymi po to, by cofnąć się w czasie aż do Wielkiego Wybuchu i dokładnego opisu składu chemicznego wytworzonej wtedy materii – jest to bardzo ważny parametr w modelowaniu ewolucji Wszechświata jako całości.


By zbadać początkową zawartość litu w młodym Wszechświecie, uczeni postanowili wyznaczyć ilość litu zawartą w możliwie najstarszych gwiazdach z galaktycznego halo. Pierwsze takie badania zostały przeprowadzone w 1982 r. przez Monique i Francois Spite. Ich wyniki pokazały, że dla gwiazd w pewnym przedziale temperatur efektywnych ilość litu jest stała, co zostało zinterpretowane jako ilość litu w pierwotnej materii.


Późniejsze pomiary uzyskane w trakcie misji WMAP, której celem było badanie wczesnego Wszechświata, pozwoliły niezależnie oszacować ilość litu w pierwotnej materii. Ilość ta okazała się istotnie większa (kilkukrotnie), niż wyniki uzyskane poprzez badania widm starych gwiazd. Co więcej, przeglądy obserwacyjne gwiazd z halo pokazały, że stare gwiazdy wykazują dużo bardziej zróżnicowane ilości litu, niż te, zaprezentowane przez małżeństwo Spite'ów.

Uzyskane wyniki pokazały, że problem jest bardzo złożony.


Klasyczny problem astrofizyków z litem


Małżeństwo Spite'ów swój pomysł na wyznaczenie pierwotnej ilości litu oparło o wnioski płynące ze standardowej teorii ewolucji gwiazdowej, czyli popartego obliczeniami modelu teoretycznego zmian w gwiazdach zachodzących w ciągu ich życia. Stąd wiemy, że Słońce za około 5 miliardów lat stanie się czerwonym olbrzymem, by potem przejść etap mgławicy planetarnej i powoli stygnąć jako biały karzeł. Astrofizycy poświęcają wiele uwagi na opisywanie szczegółów tego procesu, jak na przykład badanie zmian głębokości strefy konwekcyjnej, zmian ciśnienia, grawitacji przy powierzchni, temperatury efektywnej, składu chemicznego, w tym obfitości litu.


Lit ma bardzo ważną właściwość – jest spalany w niskiej (jak na warunki gwiazdowe) temperaturze, „ledwie” około 2.7 mln kelwinów. Sprawia to, że obecny jest w zewnętrznych, chłodnych warstwach atmosfer gwiazdowych, do których dla mniej masywnych gwiazd ciągu głównego nie sięga konwekcja. Wedle standardowej teorii ewolucji, lit może być niszczony zanim gwiazda rozpali paliwo wodorowe, ale w niewielkiej ilości. Proces ten jest powiązany z konwekcją – zakłada się, że gwiazdy o masach słonecznych na etapie pre-main sequence (ewolucja zanim gwiazda wejdzie na ciąg główny) są całkowicie konwektywne. Ilość litu w zewnętrznych warstwach nie powinna się zmieniać aż do momentu, gdy gwiazda skończy palić wodór w swoim wnętrzu i na diagramie H-R rozpocznie swoją wędrówkę ku gałęzi olbrzymów. Rozbieżności pomiędzy wynikami misji WMAP i obserwacjami litu w starych gwiazdach doprowadziły badaczy do wniosku, że lit musi być w jakiś sposób przetwarzany na etapie ciągu głównego. Żeby było to możliwe, musi istnieć inny niż konwekcja mechanizm mieszania materii w gwieździe, który nie jest uwzględniony w standardowych modelach ewolucji gwiazdowej.


Problem przetwarzania litu na etapie ciągu głównego nazywany jest „klasycznym problemem litu” i dotyczy również gwiazd II populacji, w tym także Słońca. Na podstawie badań meteorytów możliwe było oszacowanie ilości litu w obłoku materii, z której Słońce powstało. Jest ona wyższa niż ta wyznaczona przez WMAP, gdyż lit może być produkowany przez masywne gwiazdy w późnych etapach ich ewolucji, gdzie silna jest utrata masy, powstaje także w obłokach międzygwiazdowych w reakcjach z udziałem promieniowania kosmicznego. Ilość litu w Słońcu w chwili obecnej jest 160 razy mniejsza, niż jego ilość w meteorytach, stąd musi istnieć jakiś dodatkowy mechanizm odpowiadający za mieszanie materii w słonecznym wnętrzu. Słońce nie jest oczywiście wyjątkiem jeśli chodzi o niską obfitość litu. Wśród gwiazd do niego podobnych (tj. o podobnej zawartości żelaza i o zbliżonej masie) znajdujemy zarówno gwiazdy o mniejszej, jak i większej zawartości litu, Słońce kolejny raz okazuje się „średniakiem”.


Spekuluje się, że mechanizm ten może być powiązany z rotacją gwiazdy, jej metalicznością, masą, aktywnością, możliwe, że lit nie jest spalany, a jedynie dyfuzja spycha go w głębsze warstwy atmosfery, skąd nie może być obserwowany. Możliwe także, że wpływ na obfitość litu w gwiazdach mają planety. Możliwe też, że wymienione procesy działają równolegle, lub w zależności od typu widmowego gwiazdy.


Litowy dołek w gromadach


Gwiazdy w gromadach powstały z jednego obłoku materii i różnią się głównie masą. W gromadach otwartych, zawierających głównie młode gwiazdy na ciągu głównym, odkryto ciekawą właściwość – gwiazdy typu widmowego F charakteryzuje nagły, duży spadek obfitości litu (rys. 1).

 Hyades
  Rys. 1 Źródło: http://obswww.unige.ch


Spadek ten nazywany jest – znowu z angielskiego - „Li-dip”, czyli w wolnym tłumaczeniu litowym dołkiem lub, bardziej dosłownie – spadkiem. Hiady to pierwsza gromada, gdzie efekt ten zauważono. Litowy dołek obserwuje się w różnych gromadach, w tym także w Plejadach, jego położenie (w skali temperatury efektywnej) może się nieco między poszczególnymi gromadami różnić, na co może wpływać metaliczność danej gromady. Dlaczego obserwujemy nagły spadek obfitości litu – nie wiadomo, jednak podejrzana jest tu rotacja i efekty związane z polem magnetycznym w gwiazdach.

Litowy dołek obserwuje się także w gwiazdach pola („zwykłe” gwiazdy w dysku galaktycznym), jednak z uwagi na większą rozpiętość w ich składzie chemicznym, efekt ten jest nieco trudniej dostrzegalny.


Olbrzymi problem nadmiaru litu


Przetwarzanie litu w gwiazdach jest intensywne, gdy gwiazda wyczerpuje swoje paliwo wodorowe i odchodzi z ciągu głównego. We wnętrzu gwiazdy rozpoczyna się proces mieszania, zwany w żargonie astrofizycznym pierwszym „dredge up”-em, co można by przetłumaczyć jako „pierwsze pogłębienie”. Pogłębienie to dotyczy strefy konwekcyjnej, która stopniowo sięga coraz dalej w głąb gwiazdy. Podczas tego procesu materiał bogaty w lit z warstw zewnętrznych gwiazdy przenoszony do gorącego wnętrza, jednocześnie wynosząc ubogą w lit materię ze środka na zewnątrz. Na swojej drodze do stadium czerwonego olbrzyma w gwieździe lit redukowany jest sześćdziesięciokrotne. Biorąc pod uwagę fakt, że wiele gwiazd rozpoczyna wędrówkę z ciągu głównego do gałęzi olbrzymów z niską już na starcie ilością litu w swojej atmosferze, na gałęzi olbrzymów znalezienie litu w ich widmach jest bardzo trudne. Jednak jeden-dwa czerwone olbrzymy na sto wykazują bardzo wysokie ilości litu, dużo większe niż wartości wynikające z teorii ewolucji gwiazdowej, a nawet większe niż ilość litu stwierdzona w meteorytach! Stąd gwiazdy muszą albo produkować lit same, albo muszą być w inny sposób w ten pierwiastek wzbogacane.


Mechanizm produkcji litu przez gwiazdę został opisany przez Camerona i Fowlera już na początku lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku. W dwustopniowej reakcji chemicznej hel przetwarzany jest na beryl (pierwszy krok), następnie beryl rozpada się na lit. Reakcja ta jest dobrze opisana i zachodzi w gwiazdach masywnych na późnych stadiach ewolucji, a dokładnie na asymptotycznej gałęzi olbrzymów. Jej słabą stroną – przynajmniej w kwestii jej aplikacji do czerwonych olbrzymów – jest konieczność istnienia szybkiego mechanizmu transportu, który szybko przeniósłby powstały w tym procesie lit do chłodnych warstw wewnętrznych, gdzie mógłby on przetrwać. W gwiazdach AGB (asymptotic giant branch – asymptotyczna gałąź olbrzymów) zapewnienie takiego transportu jest możliwe np. dzięki pulsom termicznym, natomiast w gwiazdach na gałęzi olbrzymów procesy takie nie zachodzą. Astrofizycy zaproponowali kilka rozwiązań problemu szybkiego transportu materii, który mógłby zachodzić w czerwonych olbrzymach, jednakże nie zgadzają się one z obserwacjami – jeśli w gwieździe zachodzą procesy mieszania to wpływają one nie tylko na obfitość litu, ale także wpływają na obfitość innych pierwiastków. O ile modelowanie obfitości litu może dawać dobre rezultaty, to należy pamiętać także o innych czynnikach, takich właśnie jak ilości innych pierwiastków obserwowanych w widmach, które uwzględnia się w obliczeniach, a które nie są zgodne z obserwacjami. Dobry model powinien opisywać możliwie całość zmian, nie zaś pojedyncze efekty. Dodatkowo, bogate w lit olbrzymy nie wydają się być związane z konkretnym etapem ewolucji, stąd nie wiadomo, co decyduje o tym, że tylko 1-2% tych gwiazd wykazuje większy udział litu w ich składzie chemicznym.


Innym wytłumaczeniem przyczyn nadobfitości litu jest dostarczenie go z zewnątrz. Jednym z jego źródeł mogą być planety. Badania nad układami planetarnymi rozwijają się dynamicznie od nieco ponad 20 lat – od tamtej pory możemy badać już nie tylko nasz rodzimy Układ Słoneczny, ale także i setki innych układów. Większość z nich znaleziono przy gwiazdach podobnych do Słońca, część zaś wokół gwiazd starszych od niego, w tym czerwonych olbrzymów.


Badania nad układami planetarnymi pozasłonecznymi pozwoliły zdefiniować nową klasę planet – obiektów o masie rzędu masy Jowisza, krążących po bardzo ciasnych, krótkookresowych orbitach. Ich okresy obiegu wokół gwiazd macierzystych to raptem kilka dni. Gorące jowisze znajdują się przy gwiazdach na ciągu głównym i przy gwiazdach, które właśnie od niego odeszły, nie znajdziemy ich przy czerwonych olbrzymach. Znajdowane przy tych gwiazdach planety okrążają swoje gwiazdy w co najmniej kilka miesięcy. Wyjaśnienie tego zjawiska to zmiany w układzie planetarnym związane z ewolucją gwiazdową. Gwiazdy wędrując na gałąź czerwonych olbrzymów znacząco zwiększają swój promień (kilkadziesiąt do nawet stu kilkudziesięciu razy), co oczywiście wpływa na cały układ planetarny. Planety mogą zmieniać swoje orbity, mogą też być pochłaniane przez puchnące, macierzyste gwiazdy. Wpadając, lub też staczając się w atmosferę gwiazdową są w niej niejako rozpuszczane, a ich budulec może wzbogacić skład chemiczny gwiazdy, tym samym może także podwyższyć obserwowaną ilość litu.


Zjawisko wchłonięcia planety przez gwiazdę powinno wywołać szereg efektów, które można zaobserwować w zachowaniu gwiazdy. Oprócz zmian w składzie chemicznym, wyznaczanych na bazie widm gwiazdowych, powinno się obserwować przyspieszoną rotację gwiazdy (moment pędu układu musi być zachowany). Pojawienie się planety tak blisko gwiazdy może też spowodować zwiększoną utratę masy, obserwowaną jako wzrost poczerwienienia – rozdęta gwiazda ma dość niską grawitację przy powierzchni, przez co łatwiej traci materię. Utracona przez gwiazdę materia tworzy wokół niej delikatne obłoczki pyłu sprawiając, że obserwujemy ją silniej w podczerwieni.


Zniknięcie planety w układzie może także wpłynąć na jego charakterystyki.

 
Obserwacje, które doprowadziły do odkrycia opisanego odkrycia prowadzone były za pomocą teleskopu Hobby-Eberly w Teksasie (HET). Średnica zwierciadła to 9.2 m.

Celem aktualnie prowadzonego, polsko – amerykańskiego projektu poszukiwania planet (PTPS, PennState Toruń Planet Search) jest próba opisu zmian w układach słonecznych na skutek ewolucji gwiazdowej. Badania prowadzone są w dwóch nurtach – pierwszy to właśnie poszukiwanie planet pozasłonecznych, drugi – to badanie parametrów gwiazdowych, takich jak skład chemiczny, wiek, masa, prędkość rotacji. Zebrane dane są świetną podstawą do poszukiwania zarówno gwiazd bogatych w lit, jak i do poszukiwania śladów pochłaniania planet przez gwiazdy.


Wśród tysiąca obserwowanych gwiazd wytypowano kilka, które nie tylko mogą posiadać planety, ale także są bardzo bogate w lit. Jeden z nich, gwiazda BD+48 740 to bogaty w lit olbrzym z mało masywnym towarzyszem na nietypowej, bardzo wydłużonej orbicie.

Ze względu na obserwowane własności, układ planetarny przy BD+48 740 może być pierwszym, który został zmieniony na skutek zjawiska pochłaniania planet. Ma on duże znaczenie nie tylko ze względu na problem dużej obfitości litu w olbrzymach, ale także jest ciekawym przykładem zmian w układach planetarnych następujących wraz z ewolucją gwiazdy.


Oba procesy, tj. pochłanianie planet i produkcja litu przez gwiazdę mogą działać jednocześnie, istnieje również możliwość, że proces pochłaniania jest tym, co wyzwala produkcję litu. Opis tego procesu należy jednak dopisać do długiej listy litowych zagadek.



Monika Adamów

Liczba odsłon: 10296


Diagram H-R dla gwiazd obserwowanych w projekcie PTPS. Obfitość litu jest oznaczona kolorem (prawy panel) oraz wielkością punktów. Na przekątnej diagramu lokują się gwiazdy ciągu głównego, w prawym górnym rogu zawierają się olbrzymy, wśród których łatwo wyróżnić te o dużych obfitościach litu.

Jak zapisujemy obfitość litu A(Li) i jakie są jej charakterystyczne wartości?


A(Li)=log(nLi/nH)+12

nLi, nH- odpowiednio liczba atomów litu i wodoru w gwieździe

Charakterystyczne wartości:

A(Li)~2,1 tzw. plateu Spite'ów

A(Li)~2,7 wartość wyznaczona przez WMAP

A(Li)=3.3 obfitość wyznaczona na podstawie badań meteorytów, przyjmowana jako „startowa” dla gwiazd populacji I na ciągu głównym

A(Li)=1,5 obfitość litu dla olbrzymów wynikająca ze standardowej teorii ewolucji


A(Li) podawane jest w skali logarytmicznej. Co to znaczy? Różnica między wartością meteorytową a spodziewaną obfitością dla olbrzymów to: 3,3-1,5=1,8. Dlaczego zatem mówimy, że zubożenie przy przejściu do czerwonego olbrzyma jest około sześćdziesięciokrotnie? Otóż, z uwagi na zastosowanie skali logarytmicznej, zubożenie to 101,8=60,1.





Monika Adamów jest doktorantką w Centrum Astronomii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika. W swojej pracy zajmuje się badaniem problemu litu w olbrzymach przy wykorzystaniu danych zgromadzonych w ramach projektu PTPS.

Artykuł o układzie planetarnym przy gwieździe BD+48 740, który może być pierwszym, jaki został zmieniony na skutek zjawiska pochłaniania planet:
BD+48 740—Li Overabundant Giant Star with a Planet: A Case of Recent Engulfment?
M. Adamów et al. 2012 ApJ 754 L15 doi:10.1088/2041-8205/754/1/L15

Film o odkryciu na YouTube