Gwiazdy kataklizmiczne są to gwiazdy fizycznie zmienne, wykazujące gwałtowne, niespodziewane pojaśnienia, o amplitudzie od 2 do 20 magnitudo. W zależności od przyczyn fizycznych i charakteru zmian jasności, można wydzielić następujące rodzaje gwiazd kataklizmicznych: gwiazdy supernowe (SN), nowe (N), nowe karłowate (typu U Gem), symbiotyczne (typu Z And).

Najbardziej spektakularnymi zjawiskami tego rodzaju w świecie gwiazd są niewątpliwie wybuchy gwiazd supernowych. Stanowią one wyjątkową grupę, ponieważ zjawisko gwiazdy supernowej - inaczej niż u innych gwiazd zmiennych - zachodzi w życiu gwiazdy jednorazowo i jest procesem całkowicie zmieniającym jej stan fizyczny. Zjawisko to jest końcowym etapem ewolucji gwiazdy masywnej i spowodowane jest eksplozją w jej wnętrzu. Eksplozja ta powoduje rozrzucenie całości lub przynajmniej znacznej części materii gwiazdy w postaci rozszerzającej się otoczki. Natomiast pozostała, centralna część przyjmuje postać obiektu zupełnie różniącego się od gwiazdy sprzed wybuchu, pozostaje supergęsty obiekt - gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Prędkości rozszerzania się otoczek SN w czasie wybuchu są rzędu 10 000 km/s.

Na podstawie parametrów obserwacyjnych (krzywa jasności i cechy widma) podzielono SN na dwa typy. Do SN typu I zaliczono te obiekty, w widmach których widoczne są linie metali, lecz zupełnie brak jest linii wodoru. Krzywe jasności tych SN są bardzo podobne do siebie, po szybkim spadku tuż po maksimum, następuje stały, charakterystyczny dla nich wolniejszy spadek jasności. W maksimum blasku wszystkie SN I osiągają podobną jasność absolutną, około -19.7 mag. Natomiast krzywe jasności SN II wykazują większe zróżnicowanie: po początkowym silniejszym spadku jasności często występuje garb, a następujący potem spadek jest na ogół szybszy niż u SN I. W widmach SN II widoczne są wyraźnie linie wodoru, jak również i cięższych pierwiastków. Rozszerzająca się otoczka SN II zawiera głównie wodór i hel. Rozmieszczenie SN w galaktykach wskazuje, że SN I związane są na ogół z gwiazdami populacji II, to znaczy z gwiazdami starymi, małomasywnymi, zaś SN II występują tylko tam, gdzie dominują gwiazdy młode, bardzo masywne. Stąd wniosek, że SN II stanowią dramatyczny koniec ewolucji gwiazd masywnych, o masach przekraczających 8 mas Słońca. Po wyczerpaniu paliwa następuje implozja jądra gwiazdy, które zamienia się w gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. W latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku stwierdzono, że SN I nie stanowią jednolitej grupy. Można je podzielić na dwa typy: SN Ia i SN Ib.

SN Ia związane są z obiektami populacji II i najprawdopodobniej stanowią końcowy etap ewolucji ciasnego układu podwójnego, w którym masa głównego składnika, białego karła, osiągnęła wskutek akrecji materii z gwiazdy towarzyszącej masę Chandrasekhara, graniczną, maksymalną masę dla tego rodzaju gwiazd. Następuje wtedy zapadnięcie się białego karła, gwałtowne zapalenie węgla i eksplozja gwiazdy.

Natomiast SN Ib, chociaż mają widma bardzo podobne do SN Ia (brak linii wodoru), związane są z gwiazdami masywnymi, młodymi, występują w ramionach spiralnych galaktyk. Najprawdopodobniej stanowią końcowy etap ewolucji gwiazd Wolfa-Rayeta, gwiazd młodych, lecz silne przeewoluowanych, które pozbyły się całej otoczki wodorowej i składają się głównie z helu oraz cięższych produktów reakcji termojądrowych, to znaczy węgla, azotu i tlenu.

Uśrednione krzywe jasności SN Ia oraz SN II przedstawiono na Rys.1.

Rys.1. Schematyczne krzywe jasności supernowych typu Ia i typu II.

w górę

Określenie "gwiazdy nowe" pochodzi jeszcze z okresu astronomii przedteleskopowej, kiedy to z rzadka - raz na dziesiątki lat - obserwowano niespodziewane pojawienie się jasnej gwiazdy w miejscu gdzie poprzednio gwiazdy nie było widać. Obecnie wiemy, że chodzi tu o pojaśnienia istniejących, starych, przeewoluowanych gwiazd. Amplitudy jasności gwiazd nowych wynoszą od 6 do 19 mag (średnio 11 mag), czas wzrostu jasności zawiera się od około doby do kilkuset dni. Analiza widm gwiazd nowych wskazuje, że w okresie wzrostu jasności gwiazda gwałtownie zwiększa swoją średnicę z prędkością rzędu 1000 km/s, następnie oddziela się od niej otoczka, która potem tworzy rozpraszającą się mgławicę gazową.

Na podstawie prędkości spadku jasności można podzielić nowe na trzy grupy: szybkie nowe (Na) - licząc od momentu maksimum - wykazują spadek jasności o 3 mag w okresie krótszym niż 100 dni (V1500 Cyg, GK Per); nowe powolne (Nb) wykazują taki spadek w czasie dłuższym niż 100 dni (DQ Her), zaś nowe bardzo powolne (Nc) charakteryzują się ponadto bardzo długim okresem jasności maksymalnej trwającym kilka do kilkunastu lat (RT Ser, PU Vul), a następujący potem spadek jasności trwa dziesiątki lat.

Wzrost jasności od stanu sprzed wybuchu (pre-nowa) do maksimum, jest dla nowych szybkich odpowiednio krótszy (dni), niż dla nowych powolnych i bardzo powolnych (kilka tygodni lub miesięcy). Amplitudy jasności szybkich nowych są na ogół większe niż nowych powolnych. Jasności absolutne w maksimum wynoszą od -5 do -10 mag, dorównują więc one wtedy jasnym nadolbrzymom, przy czym jaśniejsze są przeważnie szybkie nowe.

Czwartą grupę gwiazd nowych tworzą tak zwane nowe powrotne (Nr), są to te gwiazdy nowe, u których obserwowano już dwa lub więcej wybuchów (T CrB, RS Oph, T Pyx).

Chociaż zjawisko gwiazd nowych obserwowano już w starożytności, to przyczyny ich gwałtownego wzrostu jasności wyjaśniono dopiero w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku.

Dokładne obserwacje fotometryczne i spektroskopowe wyjaśniły, że wszystkie gwiazdy nowe to ciasne układy podwójne, gdzie głównym składnikiem jest gorący biały karzeł, zaś składnik wtórny to najczęściej chłodna gwiazda ciągu głównego typu widmowego K lub M. Model takiego układu przedstawiono na Rys.2.

Rys.2 Model układu kataklizmicznego

W kilku przypadkach składnikiem wtórnym jest czerwony olbrzym, np. u T CrB. Okresy orbitalne wynoszą najczęściej kilka godzin, składnik wtórny wypełnia powierzchnię Roche'a, co powoduje wypływ materii z tej gwiazdy przez wewnętrzny punkt Lagrange'a. Strumień materii gazowej płynie w stronę składnika głównego, a posiadając pewien moment pędu (szybki ruch orbitalny), tworzy wokół białego karła dysk akrecyjny, z którego materia stopniowo opada na centralną gwiazdę. W ten sposób biały karzeł wzbogaca swoje warstwy powierzchniowe o materię bogatą w wodór. Po pewnym czasie - mogą to być dziesiątki, setki lub nawet tysiące lat - materii tej nagromadzi się na tyle dużo, że u podstawy warstwy bogatej w wodór powstaną warunki (temperatura i ciśnienie) wystarczające do zainicjowania reakcji termojądrowych, które w zależności od parametrów białego karła i tempa akrecji zachodzą w sposób mniej lub bardziej wybuchowy. Towarzyszące gwałtownemu wydzielaniu się energii wzrost temperatury i ciśnienia powodują szybkie rozszerzanie się i najczęściej odrzucenie warstw zewnętrznych. Po wygaśnięciu reakcji termojądrowych i rozproszeniu się otoczki w przestrzeni wokółgwiezdnej sytuacja się powtarza. Materia znów zaczyna przepływać z chłodnej gwiazdy, odtwarza się dysk akrecyjny i wodór znowu gromadzi się na białym karle. Gwiazda przechodzi w stan post-nowej, niczym nie różniący się od stanu pre-nowej. Można więc przypuszczać, że wszystkie gwiazdy nowe powtarzają wybuchy, czyli są nowymi powrotnymi, chociaż dla większości z nich obserwowany był do tej pory jedynie jeden wybuch. Długość cyklu może bowiem dla nich wynosić setki lub nawet tysiące lat.

w górę

Gwiazdy typu U Geminorum zwane inaczej nowymi karłowatymi wykazują pojaśnienia o znacznie mniejszej amplitudzie niż gwiazdy nowe, za to powtarzające się bardzo często. Amplitudy wybuchów wynoszą najczęściej od 2 do 6 mag, a cykle zawierają się w szerokich granicach, od kilkunastu do kilku tysięcy dni. Nowe karłowate o najdłuższych cyklach (typu WZ Sagittae) mają cykle zbliżone do cykli nowych powrotnych. Nowe karłowate to gwiazdy słabe, najjaśniejsza z nich, SS Cygni w minimum jasności jest gwiazdą 12 mag, w maksimum osiąga 8 mag. Przyczyną takiej zmienności jest podobnie jak u gwiazd nowych podwójność gwiazd typu U Geminorum. Niektóre z tych gwiazd wykazują zaćmienia, a dokładne obserwacje fotometryczne i spektroskopowe wykazały, że są to obiekty bardzo podobne do gwiazd nowych; ciasne układy podwójne o okresach orbitalnych rzędu kilku godzin, gdzie głównym składnikiem jest biały karzeł otoczony gazowym dyskiem akrecyjnym, zasilanym materią z drugiego składnika, chłodnej gwiazdy ciągu głównego typu K lub M. Mechanizm nagłych pojaśnień związany jest z przepływem materii przez dysk akrecyjny i jej cyklicznym opadaniem na białego karła. Mechanizm ten opisano dokładnie w artykule Arkadiusza Olecha (Urania-Postępy Astronomii, 2001, Nr 1, str.20).

Nowe karłowate można podzielić na kilka typów różniących się krzywymi jasności. Gwiazdy typu SS Cygni charakteryzują się pojaśnieniami o amplitudzie 2-6 mag powtarzającymi się co kilkadziesiąt do kilku tysięcy dni. Krzywa jasności SS Cygni wykonana na podstawie danych polskich obserwatorów przedstawiona jest na Rys.3.

Rys.3 Krzywa jasności SS Cygni według polskich obserwacji

Wzrost jasności następuje w ciągu 1-2 dni, spadek jest wolniejszy, często jasność maksymalna utrzymuje się przez kilka dni. W okresie minimalnej jasności występują zmiany o amplitudzie do kilku dziesiątych mag. Gwiazdy typu Z Camelopardalis mają na ogół krótkie cykle - od 10 do kilkudziesięciu dni - charakterystyczną dla nich cechą jest to, że od czasu do czasu ich jasność zatrzymuje się na poziomie pośrednim pomiędzy minimum a maksimum i utrzymuje się tak (z niewielkimi wahaniami) przez dziesiątki, a nawet setki dni. Gwiazdy typu SU Ursae Majoris oprócz zwykłych wybuchów jakie wykazują zmienne typu SS Cygni, co kilka cykli mają tak zwane superwybuchy, o nieco większej amplitudzie i trwające kilkakrotnie dłużej. W czasie superwybuchów widoczne są oscylacje jasności o amplitudzie 0,2-0,3 mag, z okresem zbliżonym do okresu orbitalnego.

w górę

Gwiazdy symbiotyczne, czyli gwiazdy typu Z Andromedae zawdzięczają swoją nazwę nietypowemu widmu, gdzie na tle charakterystycznym dla czerwonego olbrzyma (pasma molekularne TiO, linie absorpcyjne neutralnych metali), widnieją silne linie emisyjne wodoru i helu, a czasem również zjonizowanych metali. Taki wygląd widma, jak również wyniki obserwacji fotometrycznych w różnych zakresach świadczą, że gwiazdy te są układami podwójnymi, gdzie obok czerwonego olbrzyma występuje mała gorąca gwiazda, zdolna jonizować rozległą otoczkę składnika chłodnego. Tą gorącą gwiazdą jest najczęściej biały karzeł, ale może nią być również gwiazda ciągu głównego. Okresy orbitalne układów symbiotycznych wynoszą od 200 do 1000 dni, ze względu na rozmiary czerwonego olbrzyma. Zmiany jasności gwiazd symbiotycznych mają skomplikowany charakter. Obserwuje się wolne zmiany związane z pulsacją olbrzyma, od czasu do czasu występują pojaśnienia do 4 mag, mające charakter wybuchów na składniku gorącym, w zakresie krótkofalowym występują szybkie fluktuacje o małej amplitudzie, a niektóre z tych gwiazd wykazują także zaćmienia.

Rys.4 Krzywa jasności AX Persei na podstawie obserwacji J. Speila z lat 1988-2002

Na Rys.4. przedstawiono krzywą jasności jednej z gwiazd symbiotycznych, AX Persei, wykonaną na podstawie obserwacji autora z lat 1988-2002. Widoczny jest generalny spadek jasności po pojaśnieniu, które nastąpiło na początku 1988 r. Bardzo wyraźnie widać głębokie minima wywołane zaćmieniami występującymi z okresem 680.8 dnia.

w górę

Obserwacje gwiazd kataklizmicznych, poza tym, że mają na ogół duże znaczenie dla poznania natury tych obiektów, dostarczają miłośnikom astronomii dużo satysfakcji ze względu na szybkie, niespodziewane zmiany jasności oraz stwarzają możliwości odkrywania gwiazd nowych i supernowych. Chociaż zdecydowaną większość gwiazd supernowych odkrywa się obecnie za pomocą wielkich profesjonalnych instrumentów, używając najczęściej kamer CCD (istnieją specjalne programy obserwacyjne dla poszukiwania supernowych w odległych gromadach galaktyk), to miłośnicy astronomii nie są bez szans, gdyż część jaśniejszych supernowych odkrywa się nadal wizualnie. Absolutnym rekordzistą w tej dziedzinie jest Robert Evans z Australii, który w latach 1981-2001 odkrył aż 30 gwiazd supernowych. Poszukiwanie tych obiektów nie jest sprawą prostą. Wymagane jest oczywiście użycie dużego - jak na warunki amatorskie - instrumentu, o średnicy przynajmniej 25 cm, oraz korzystanie ze szczegółowych map (lub atlasu) galaktyk, pozwalających na identyfikację słabych gwiazd. Należy każdej pogodnej nocy dokonywać przeglądu dziesiątek, a nawet setek galaktyk i sprawdzać, czy wśród widocznych w rejonie każdej galaktyki obiektów gwiazdowych (na ogół są to odległe gwiazdy naszej Galaktyki) nie pojawił się nowy obiekt, który może być supernową. Dla poszukiwania gwiazd nowych nie trzeba używać dużych instrumentów, chociaż wymaga to nie mniej czasu, samozaparcia, cierpliwości i znajomości nieba gwiaździstego. Przy poszukiwaniu gwiazd nowych należy używać małego, szerokokątnego instrumentu jakim jest np. lornetka. Ponieważ gwiazdy nowe pojawiają się najczęściej na tle Drogi Mlecznej, patrolować należy więc te rejony nieba, przeglądając co noc całą jej widoczną część. Trzeba być już doświadczonym obserwatorem i mieć w pamięci układy setek, a może i tysięcy gwiazd. Oczywiście należy przy tym posługiwać się dobrym atlasem nieba, aby w każdej chwili można było sprawdzić, czy widoczne na niebie obiekty są w nim zaznaczone.

w górę

Poszukiwania gwiazd nowych i supernowych należą do obserwacji trudnych i mimo wieloletniego wysiłku nie gwarantują sukcesu jakim jest odkrycie takiej gwiazdy. Znacznie wdzięczniejszym zadaniem jest monitorowanie gwiazd już znanych, które dość często gwałtownie jaśnieją, czyli systematyczne śledzenie nowych karłowatych i symbiotycznych. Organizacje zrzeszające obserwatorów gwiazd zmiennych, jak np. AAVSO (American Association of Variable Star Observers) często ogłaszają alerty mające na celu skoordynowane śledzenie poszczególnych obiektów. Związane jest to na ogół z profesjonalnymi programami obserwacyjnymi, do których używa się wielkich, często bardzo kosztownych instrumentów, takich jak np. teleskop kosmiczny Hubble'a, teleskop rentgenowski Chandra, teleskop Kecka itp. Gdy potrzebne jest wykonanie obserwacji w momencie wybranej fazy aktywności, np. w fazie szybkiego wzrostu jasności lub w maksimum, których nie można przewidzieć, korzysta się z pomocy miłośników astronomii. Nie można bowiem blokować czasu pracy wielkich teleskopów w oczekiwaniu na wybuch jakiejś gwiazdy. Obserwatorzy śledząc wybrane obiekty mogą natychmiast po zauważeniu pojaśnienia zawiadomić centralę AAVSO, skąd wieść ta wędruje do kierujących danym instrumentem, co pozwala na wykonanie obserwacji w pożądanym momencie. Istotna jest tutaj szybkość przesyłania informacji. Do AAVSO należy przesyłać informacje na adres e-mail: observations@aavso.org, lub on-line przez witrynę www.aavso.org. AAVSO publikuje i przesyła informacje o niespodziewanych zjawiskach wśród gwiazd zmiennych - przeważnie dotyczy to gwiazd kataklizmicznych - w publikacjach elektronicznych: "AAVSO News Flash" oraz "AAVSO Alert Notice", tą drugą również w formie tradycyjnej, na papierze.

w górę

W 2001 i na początku bieżącego roku, miłośnicy astronomii mieli okazję do obserwacji kilku interesujących zjawisk zaserwowanych nam przez gwiazdy kataklizmiczne. Przebojem lata 2001 - można rzec - stał się czwarty obserwowany dotychczas wybuch WZ Sagittae. Ta nowa karłowata, zaliczana do niedawna do nowych powrotnych (Nr), wybuchała w ubiegłym wieku trzykrotnie, w latach 1913, 1946 i 1978 osiągając w maksimum jasność około 7 mag. Kolejne pojaśnienie WZ Sge pierwszy dostrzegł M. Oshima z Japonii - 23 lipca ocenił jej jasność na 9,7 mag, chociaż kilkanaście godzin wcześniej obserwatorzy widzieli ją jako obiekt 15,3 mag. W ubiegłorocznym maksimum WZ Sge osiągnęła 8 mag, po czym jej jasność zaczęła stopniowo spadać.

Rys.5 Krzywa jasności WZ Sagittae według polskich obserwacji

Widać to na Rys. 5 sporządzonym na podstawie bazy danych Sekcji Gwiazd Zmiennych PTMA. Po 25 dniach dość gładkiego spadku, zaobserwowano wielokrotne wahania jasności o amplitudzie do 2 mag trwające około 20 dni, po czym nastąpił dalszy wolniejszy spadek i po 4 miesiącach od wybuchu, jasność WZ Sge powróciła do 15 mag.

Spośród kilku gwiazd nowych odkrytych w 2001 roku, dwie pojawiły się latem w gwiazdozbiorze Łabędzia. Pierwsza z nich, V2274 Cygni, odkryta 13 lipca osiągnęła 11,9 mag, nie była więc obiektem dostępnym za pomocą małych instrumentów. Jednakże miesiąc później, 18 sierpnia dwaj japońscy obserwatorzy Akihiko Tago i K. Hatayama niezależnie od siebie, odkryli metodą fotograficzną jasną gwiazdę w tym samym gwiazdozbiorze. Nova Cygni No.2, czyli V2275 Cyg, osiągnęła w maksimum 7 mag, tak że można ją było obserwować za pomocą lornetki.

Rys.6 Krzywa jasności gwiazdy nowej V2275 Cygni według polskich obserwacji

Na Rys. 6 przedstawiono krzywą jasności tej gwiazdy sporządzoną na podstawie danych polskich obserwatorów. Widać, że V2275 Cyg jest szybką nową, początkowy spadek jasności nastąpił w ciągu kilkunastu dni. Dla porównania na Rys. 7 zaprezentowana jest krzywa jasności V723 Cassiopeiae oparta na obserwacjach autora.

Rys.7 Krzywa jasności gwiazdy nowej V723 Cassiopeiae według obserwacji J. Speila z lat 1995-1999

V723 Cas jest powolną nową, odkryta została 24 sierpnia 1995 r. Przez kilka miesięcy jej jasność nieregularnie rosła, osiągając maksimum (około 8 mag) w grudniu 1995 r. Potem nastąpił okres wolnego spadku i wahań jasności o amplitudzie do 1 mag. Po czterech latach od maksimum gwiazda ta osiągnęła 13 mag.

Sporo emocji dostarcza też obserwatorom GK Persei, klasyczna gwiazda nowa z roku 1901, która w maksimum osiągnęła 0 mag. Obecnie w minimum jasności jest gwiazdą około 13 mag, jednakże od 1966 roku zaczęła wykazywać pojaśnienia o około 2,5 mag z cyklem 1100 dni, co jest charakterystyczne dla nowych karłowatych. Poprzedni miniwybuch GK Per obserwowano w lutym 1999 r., wobec czego od początku bieżącego roku spodziewano się jej kolejnego pojaśnienia. Rzeczywiście, w pierwszych dniach marca 2002 r. GK Per zaczęła stopniowo jaśnieć, co widać na Rys.8. wykonanym na podstawie danych polskich obserwatorów.

Rys.8 Krzywa jasności GK Persei według polskich obserwacji

Na początku kwietnia osiągnęła 10,5 mag, jednak dalsze obserwacje stały się niemożliwe, gdyż gwiazdozbiór Perseusza od końca kwietnia jest zbyt nisko nad horyzontem.

Niemal co roku pojawia się na tyle jasna gwiazda supernowa, aby można ją było obserwować za pomocą średniej wielkości instrumentów amatorskich. Również na początku tego roku w pięknej galaktyce spiralnej M74 mieliśmy okazję podziwiać SN 2002 ap, która osiągnęła jasność około 12,5 mag.

Jednak prawdziwą sensacją początku roku 2002 stała się osobliwa gwiazda zmienna w gwiazdozbiorze Jednorożca, V838 Monocerotis. Odkryta fotograficznie 6 stycznia przez Nicholasa Browna z Australii jako obiekt 10 mag, początkowo uważana była za gwiazdę nową. Jednak obserwacje spektroskopowe wykazały, że nie ma ona cech gwiazdy nowej, a poprzednio była gwiazdą 15,6 mag z widmem typowym dla gwiazdy ciągu głównego typu F. Po kilku dniach od odkrycia V838 Mon zaczęła powoli słabnąć osiągając 1 lutego 11 mag. Jakież było zdumienie wielu obserwatorów (również autora tej publikacji), kiedy wieczorem 2 lutego spojrzeli na V838 Mon. Zamiast słabej gwiazdy ujrzeli jasny, czerwonawy obiekt około 8 mag. Jak się potem okazało, gwiazda pojaśniała o 3 mag w ciągu kilku godzin. W następnych dniach wzrost jasności, chociaż wolniejszy, trwał nadal i maksimum, 6,7 mag, V838 Mon osiągnęła 6 lutego. Krzywą jasności tej gwiazdy wykonaną na podstawie danych polskich obserwatorów przedstawia Rys. 9.

Rys.9 Krzywa jasności V838 Monocerotis według polskich obserwacji

Do końca lutego trwał spadek jasności do około 8,5 mag, po czym V838 Mon znowu pojaśniała osiągając 10 marca prawie 7 mag. Potem nastąpił powolny, a od pierwszych dni kwietnia wyraźny, zdecydowany spadek do około 13 mag w końcu tego miesiąca. Polskie obserwacje urywają się 17 kwietnia, gdyż gwiazdozbiór Jednorożca już wtedy przestaje być widoczny. Pomimo nagromadzenia przez astronomów wielu obserwacji fotometrycznych i spektroskopowych natura V838 Mon nie jest jeszcze wyjaśniona. Być może gwiazda ta należy do nowej klasy obiektów astronomicznych.

Jak widać z tego pobieżnego przeglądu najciekawszych w ostatnim roku zjawisk wśród gwiazd kataklizmicznych, warto te gwiazdy systematycznie śledzić i poszukiwać przeglądając skrupulatnie niebo gwiaździste.

Jerzy Speil - Wałbrzych

w górę