Hvězdy se závojem: desetiletí nevyřešená záhada

Hvězdné závoje představují plynový materiál, který se rozprostírá od povrchu hvězdy do vzdálenosti několika desítek nebo možná i stovek poloměrů samotné hvězdy.

Když za temné noci zvednete hlavu k obloze, tak o každé páté horké hvězdě můžete říci, že má závoj, tedy že je čas od času obklopená plynovým oblakem, jehož rozměr může být mnohonásobně větší než velikost samotné hvězdy. „V 60. letech jsme si mysleli, že hvězd se závojem je asi 10 %, dnes už mluvíme o nejméně 20 %. Vzhledem k tomu, že naše pozorování pokrývají asi 200 let, je to stále velmi krátká doba a procento takových hvězd může do budoucna přibývat. Závoje se u hvězd objevují v nepravidelných časových intervalech, které trvají od několik měsíců až po desítky let,“ říká Petr Harmanec, hlavní řešitel výzkumného projektu.

Hvězdy se závojem jsou horké hvězdy tzv. spektrálního typu B, tedy objekty, v jejichž spektrech dominují čáry neutrálního vodíku a neutrálního helia s povrchovými teplotami zhruba od 10 tisíc do 30 tisíc stupňů Celsia. Jejich závoje představují plynový materiál, který se rozprostírá od povrchu hvězdy do vzdálenosti několika desítek nebo možná i stovek poloměrů samotné hvězdy.

I když byly první hvězdy se závojem objeveny v roce 1866 a poté je studovalo několik generací astronomů, skutečná příčina toho, proč se závoje objevují a opět mizí, nebyla dosud nalezena. „Je to stále existující hádanka. V této chvíli neexistuje shoda o tom, proč se závoje u jinak normálně vypadajících, akorát rychle rotujících hvězd, nepravidelně objevují a zanikají,“ vysvětluje astrofyzik. Postupně bylo navrženo několik možných mechanismů vzniku závojů, jejich hlavní problém ovšem je, že nevysvětlují velmi složitou a nepravidelnou proměnnost celého jevu.

Co tedy hvězdy se závojem jsou?

Roku 1975 přišli Petr Harmanec s kolegou Svatoplukem Křížem s hypotézou, že hvězdy se závojem jsou ve skutečnosti dvojhvězdy ve stádiu předávání hmoty. Celá myšlenka se postupně rodila od konce šedesátých let ve stelárním oddělení Astronomického ústavu AV v Ondřejově, pro který představuje pozorování hvězd se závojem a jejich jasnosti důležitý směr výzkumu. Pozorování hvězd se závojem se také stalo soustavným pozorovacím programem na původně československo-jugoslávské, a nyní chorvatské observatoři na Hvaru.

Vědeckému týmu se během mnoha let pozorování skutečně podařilo objevit několik dvojhvězd s očekávanými vlastnostmi. Záhy se ale ukázalo, že problémem této hypotézy coby obecného vysvětlení je statistický nedostatek dvojhvězd ve stadiu přenosu hmoty mezi složkami.

Hvarská fotometrie následně napomohla ke zjištění, že všechny hvězdy se závojem vykazují malé změny jasnosti souběžně se změnami v emisních spektrech. Waters a kol. (1989) a Pols a kol. (1991) proto přišli s alternativní myšlenkou, že hvězdy se závojem skutečně vznikly mohutným přenosem hmoty ve dvojhvězdě, který zvýšil jejich rotaci, ale že pozorované objekty jsou již ve stadiu po skončení přenosu a jejich sekundární složky jsou těžce detekovatelné, protože jde o kompaktní heliové hvězdy či bílé trpaslíky.

S pokrokem v družicových pozorováních v dalekém ultrafialovém oboru spektra se skutečně postupně podařilo objevit několik desítek takových objektů. V současnosti se v mezinárodní vědecké komunitě považuje za nejnadějnější hypotézu vzniku hvězd se závojem to, že samy hvězdy z vnitřních důvodů oscilují, lokálně zvětšují a zmenšují svůj poloměr a když se zvětšování poloměru v důsledku několika různých takových oscilací sečte, dodá to materiálu na hvězdném povrchu energii potřebnou k vyvržení hmoty a přechodnému vytvoření závojů. 

Delegace účastníků loňské zářijové konference na Hvaru (zleva: Alžběta Oplištilová, Michal Zummer, Jana Švrčková, Miroslav Brož, Petr Zasche a Petr Harmanec).

Dlouhé datové řady jako zdroj nových informací

Při pátrání po dalších vlastnostech hvězd se závojem se Petr Harmanec a jeho tým v rámci projektu podpořeného GA ČR zaměřili na analýzu padesátiletých datových řad, které naměřili na observatořích v Ondřejově, na Hvaru nebo získali od kolegů ze zahraničí.

Ukázali, že systematická pozorování nám o hvězdách se závojem mohou přinést mnoho nových informací. Při svých pozorováních vycházeli z předpokladu, že závoje se nenacházejí kolem celé hvězdy rovnoměrně, ale jsou zploštělé do roviny rovníku v discích, které jsou řádově větší než hvězda samotná.

Následkem toho mohou tyto hvězdy vykazovat dva různé typy chování. Vnitřní části závoje v blízkosti hvězdy jsou totiž opticky tlusté a simulují jakousi pseudofotosféru hvězdy. Když se na hvězdu se závojem díváme zhruba v rovině rovníku, tak se velká část závoje promítá do pozorovaného pole a elektromagnetické záření hvězdy se jeví jako by byla hvězda chladnější. Pokud bychom na základě tohoto spektrálního typu modelovali vlastnosti hvězdy, tak by se díky závoji jevila chladnější. A naopak, pokud hvězdu pozorujeme v rovině od pólů, tak si zachovává povrchovou teplotu, ale jeví se, jako by měla větší poloměr, čili že je to hvězdný obr.

„Díky našim 50 až 70 let dlouhým časovým řadám jsme ukázali, že na některé hvězdy se stále díváme skoro od pólu a na jiné naopak od jejich rovníku, a to, co vidíme, je skutečně důsledek geometrického efektu. U jiných se charakter pozorování v průběhu času mění, což může znamenat, že je vidíme pod nějakým sklonem rotační osy kolem 45 stupňů a pokud obálka zmohutní, začne i tak hvězdu zakrývat a typ korelace se změní,“ vysvětluje jeden z hlavních závěrů projektu výzkumník.

Tým Petra Harmance také poukázal na jev, který pracovně nazvali čtvrtou časovou škálou. Jde o dlouhodobý pokles či zjasňování v obdobích, kdy je daná hvězda bez emisních čar. Varováním, že časové změny hvězd se závojem mohou být velmi komplikované, je studie hvězdy V1294 Aql = HD 184279, kterou výzkumníci pozorovali v mezinárodním týmu. Než vešlo ve všeobecnou známost, že hvězdy se závojem jsou všechny proměnné ve své jasnosti, byla v padesátých letech tato hvězda doporučena jako jeden z kalibračních standardů Johnsonovy UBV fotometrie. Díky tomu pro ni existují velmi početná měření již od padesátých let. Výzkumníci díky svým datům vypozorovali sekulární pokles jasnosti, přes který se překládají rychlejší cyklické změny a následné zjasňování v posledních letech. Kromě toho zaznamenali dva poměrně rychlé a hluboké poklesy jasnosti kolem redukovaných Julianských dat 44000 a 55900, které vykazují opět jiné, ale v obou případech vzájemně shodné chování v barevném diagramu.

„Jedno možné vysvětlení je, že obálku hvězdy vidíme pod nějakým středním úhlem kolem 45 stupňů a že se podle mohutnosti obálky geometrie zdánlivě mění. Příčina rychlých poklesů jasnosti ale není zřejmá,“ vysvětluje astrofyzik. Další dvě podrobné studie věnovali objevu podvojnosti hvězdy HD 81357 a detailní časové historii emisní dvojhvězdy V923 Aql.

Velmi významným a již nyní oceňovaným výsledkem výzkumného týmu bylo i modelování struktur okolo hvězdné hmoty ve dvojhvězdách a vícenásobných soustavách. Tuto část projektu ideově vedl spolupracovník a kolega Petra Harmance Miroslav Brož. Modelování bylo úspěšně aplikováno na jasnou dvojhvězdu beta Lyr (jednu z prvních objevených hvězd z emisními čarami) a poté i na komplikovanou a velmi hmotnou emisní čtyřhvězdu QZ Carinae.

„Nechci být neskromný, ale v září 2022 jsme pořádali výroční konferenci na observatoři na Hvaru u příležitosti 50tiletého výročí observatoře, kam přijeli hvězdáři z celého světa. Bylo milé hovořit s nimi o našem mnohaletém úsilí a bylo příjemné si uvědomit, že ve svých vystoupeních oceňují naši téměř celoživotní práci. A to i ti, s kterými jsme celý život vedli odborné spory,“ uzavírá Petr Harmanec. „Pořád je zkrátka co objevovat, a to je na bádání to skvělé.“

Zdroj: Grantová agentura ČR