Перехід червоної супергігантської зірки WOH G64 в жовту гіпергігантську зірку

Нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі Nature Astronomy, виявило, що одна з найбільших відомих зірок, WOH G64, зазнала вражаючої трансформації у 2014 році, перетворившись з червоної супергігантської зірки на жовту гіпергігантську. Цей різкий перехід може свідчити про наближення наднової.

WOH G64 була вперше виявлена в 1970-х роках як цікава зірка в Великому Магеллановому Хмарі, супутниковій галактиці Чумацького Шляху. Вона не лише надзвичайно яскрава, але й є однією з найбільших зірок, коли-небудь виявлених: її радіус у 1540 разів більший за радіус Сонця. Її яскравість у 280 000 разів перевищує сонячну, а також вона має рекордний показник втрати маси (> 10^-4 M⊙ на рік, що становить 30 разів масу Землі на рік).

У 2024 році WOH G64 стала першою зіркою за межами нашої галактики, яку вдалося детально зафіксувати завдяки Інтерферометру Великого Телескопа. Отримане зображення показало ясний пиловий кокон навколо центральної гігантської зірки, що підтвердило її втрати маси в процесі старіння.

Ця зірка є молодою, її вік оцінюється менше ніж у 5 мільйонів років. WOH G64, можна сказати, є зіркою-рок-зіркою: вона призначена жити швидко і померти молодою. Вона виникла з величезного хмари газу та пилу, яке колись колапсувало, поки тиск не спричинив яскраве світіння внаслідок ядерних реакцій. Як і Сонце, WOH G64 спочатку спалювала водень у своєму ядрі, а пізніше, розширившись, почала спалювати гелій, перетворившись на червону супергігантську зірку. Червоні супергіганти — це масивні, холодні та еволюційно зрілі зірки, чия початкова маса коливається від 8 до 30 M⊙, і вони представляють собою фінальну стадію своєї еволюції перед вибухом наднової типу II.

Проте еволюція та доля найяскравіших червоних супергігантів залишаються невизначеними. Рідкість дуже яскравих червоних супергігантів, наявність великих обсягів оточуючої матерії та неточні відстані ускладнюють точне вимірювання їхніх властивостей, що ускладнює оцінку їхнього еволюційного етапу та фінальної долі.

Існування яскравих гарячих об'єктів після червоних супергігантів, а також відсутність яскравих червоних супергігантів серед предків наднових, спонукає астрономів до висновку про існування процесу еволюції "в блакитний". З 1980-х років WOH G64 вважається найекстремальнішою червоною супергігантською зіркою Великого Магелланового Хмари через її значне затемнення, вражаючий розмір, яскравість і показник втрати маси.

Що ж сталося з WOH G64 у 2014 році? Дослідження, проведене Гонсало Муньосом-Санчесом (Афінська обсерваторія) та його колегами, вказує на раптову, але поступову зміну її видимих характеристик. Оптична кривизна світла WOH G64, яка простягається з 1992 року до сьогодні, чітко демонструє дві окремі фази, розділені переходом у 2014 році. До цього переходу WOH G64 класифікувалася як змінна зірка Міра через свою напіврегулярну періодичність приблизно 850 днів. Тимчасова фотометрія та подальша спектроскопія виявили екстремальну зміну в її оптичних спектральних характеристиках.

Значне зниження яскравості спостерігалося в 2011 році, перед переходом, і демонструвало петлю в діаграмі кольору-яркості, що свідчить про зміни в внутрішніх властивостях системи. Після цього зниження яскравості, зірка стала помітно більш блакитною з середини 2013 до середини 2014 року. Збільшення ефективної температури більше ніж на 1000 K пояснює фотометричні зміни в діаграмі кольору-яркості під час переходу. З 2014 року WOH G64 демонструє нерегулярну змінність, зокрема зниження на 2 величини за 10 місяців у 2025 році, досягнувши своєї мінімальної спостережуваної величини.

Дослідники приходять до висновку, що WOH G64 є рідкісною масивною симбіотичною системою, де компонент супергіганта еволюціонував у жовту гіпергігантську зірку. За словами астрофізиків, ця радикальна трансформація може бути пояснена або частковим викидом псевдотаємниці під час фази спільної оболонки, або поверненням до стану спокою після надзвичайного виверження тривалістю більше 30 років.

Варто зазначити, що не всі супергіганти стають гіпергігантами. Згідно з теорією, гіпергіганти формуються, коли дуже великі зірки швидко спалюють своє паливо, переходячи від спалювання водню до спалювання гелію. Під час цього переходу ці зірки починають втрачати свої зовнішні шари, тоді як їхнє ядро стискається всередину. Як тільки зірка стає гіпергігантом, вона приречена на швидку смерть внаслідок вибуху наднової.

З WOH G64 очевидно, що значна частина поверхні початкової супергігантської зірки була викинута, і існує зірка-супутник, існування якої підтверджується спостереженням світлового спектра WOH G64.

Результати Муньоса-Санчеса та його команди ставлять під сумнів сучасні моделі еволюції масивних зірок, підкреслюючи вирішальну роль бінарних взаємодій і епізодичних вивержень у долі еволюційно зрілих масивних зірок. WOH G64 надає цінну інформацію про пізні еволюційні стадії найяскравіших червоних супергігантів та тих, які втрачають найбільше маси, а також про постійну проблему рідкості червоних супергігантів. Недавні дослідження екстремальних червоних супергігантів, таких як VY CMa та NML Cyg, виявили потенційні ознаки існування супутників, проте механізми, що лежать в основі їх епізодів втрати маси, залишаються малозрозумілими. Визначення, чи є екстремальні властивості цих супергігантів результатом внутрішніх зоряних процесів чи бінарних взаємодій, є важливим для уточнення еволюції цих яскравих зірок. І автори не можуть передбачити майбутнє WOH G64 через погано визначені фізичні та орбітальні параметри, і через те, що невідомо, чи є еволюція системи результатом простої зоряної фізики чи бінарних взаємодій.

У своїй висновку, Муньос-Санчес та його колеги зазначають, що недавні спостереження 2025 року підтверджують їхню інтерпретацію WOH G64 як бінарної системи, але також демонструють, що система підлягає змінному червоному світлу через пил. З іншого боку, WOH G64 наразі має оптичні характеристики, знову сумісні з червоною супергігантською зіркою, а не з характеристиками жовтої гіпергігантської зірки, спостереженими між 2016 і 2021 роками. Це повернення до червоної супергігантської зірки може бути пояснене поверненням оптично щільного вітру та початком нового виверження в рамках фізики єдиної зірки. Прогнозування майбутнього та повторюваності таких вивержень залишається невизначеним, оскільки механізм, що лежить в основі цих вивержень, ще обговорюється. У той же час, в рамках холодної оболонки, поява нових ознак холодної зірки може бути пояснена формуванням нової розширеної оболонки після викиду зовнішніх шарів під час події 2013-2014 років. Поточна орбітальна конфігурація визначить, чи продовжиться взаємодія, що потенційно може призвести до подальших фаз масопередачі або повторюваних викидів холодної оболонки, як це спостерігалося під час епізоду 2014 року.

З появою сучасних оглядів, які постійно спостерігають за небом, раннє виявлення вибухів наднових та подальша швидка спектроскопія виявили наявність газових коконів навколо предків наднових типу II. Одне з запропонованих пояснень — це велике виверження, що відбувається протягом останнього року перед вибухом, тоді як інші автори віддають перевагу сценарію вітру перед надновою, викликаного пульсаціями протягом десятиліть перед вибухом. Але поведінка WOH G64 після переходу не слідує за цим періодичним шаблоном, залишаючи стабільною з 2014 до 2019 року, що виключає пульсації вітру перед SN як механізм, що лежить в основі виверження. Вже відомо, що наднова, яка відбудеться, буде типу IIP/L, IIb або IIn залежно від залишкової маси оболонки та щільності навколишнього середовища під час колапсу ядра.

Замість вибуху, зірка може зазнати прямого колапсу в чорну діру або ж злиття зі своїм супутником внаслідок тривалої бінарної взаємодії. Таким чином, WOH G64 надає важливу інформацію про еволюцію після червоної супергігантської зірки та формування щільних оточуючих середовищ. Постійне спектроскопічне та фотометричне спостереження WOH G64 буде суттєвим для кращого визначення її бінарних властивостей, прояснення механізму, що лежить в основі її вражаючого переходу, та прогнозування її фінальної долі.

З невеликою удачею, ми могли б стати свідками смерті WOH G64 протягом нашого життя, що не лише подарує нам неймовірне видовище, але й допоможе краще зрозуміти фізичні процеси, пов'язані з надновими.