#274 · Thorne–Żytkow Objects

A red supergiant star, glowing with the heat of a dying giant, might actually be a cosmic sandwich — a living star wrapped around a dead neutron star. These are Thorne–Żytkow objects, bizarre hybrids predicted in 1977 and still being hunted in the cosmos.

In the 1970s, two physicists — Kip Thorne and Anna Żytkow — imagined a kind of star that defied the usual rules of stellar evolution. They proposed that if a neutron star, the ultra-dense remnant of a supernova supernova, were to plunge into the heart of a red supergiant, the two might merge into a single, unstable hybrid. The neutron star would not collapse the giant, but instead become a kind of core, feeding on its outer layers while the star continued to shine. This was the first theoretical model of a Thorne–Żytkow object, or TŻO.

The formation of such an object would begin in a binary system. One star, typically more massive, explodes as a supernova supernova, leaving behind a neutron star. The second star, now alone, continues to evolve. Eventually, it swells into a red supergiant, its outer layers expanding until they engulf the neutron star. The neutron star, dense and compact, would then spiral inward through the star’s convective layers, slowly sinking toward the core. This process could take hundreds of years, but once the two merged, the result would be a star with a normal surface but a neutron star at its heart.

A red supergiant and a tiny neutron star orbit each other in a dark binary system Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What makes a TŻO so strange is the way it behaves. The neutron star at the core is incredibly hot — temperatures can exceed a billion degrees Kelvin. As material from the red supergiant falls onto the neutron star, it triggers unusual nuclear reactions on its surface. These reactions produce elements like lithium, molybdenum, and rubidium in ways that are not typical of ordinary stars. The result is a star that looks like a red supergiant from the outside but has a chemical fingerprint that is off — a clue that something strange is happening inside.

The search for TŻOs

The first potential TŻO was identified in 2014. A star named HV 2112, located in the Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud, showed unusual abundances of elements like lithium, rubidium, and molybdenum. These are exactly the kind of chemical signatures that Kip Thorne and Anna Żytkow had predicted. The star was also unusually luminous, which could be explained by the additional energy generated by the neutron star core. For a time, it was hailed as the first confirmed TŻO.

A neutron star plunges through the outer layers of a red supergiant Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

But the claim was not without controversy. In 2018, a team led by Emma Beasor re-examined the data and found that many of the supposed anomalies were not as clear as initially thought. They suggested that HV 2112’s lithium enrichment might be due to other processes, and its luminosity was not as extreme as claimed. Instead, they proposed another star, HV 11417, as a more promising candidate. This star also showed a high abundance of rubidium, a feature consistent with TŻO models.

A red supergiant is shown with its outer envelope rendered partly translucent by light Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The search for TŻOs is ongoing. Because these objects are so rare and their signatures subtle, identifying them requires precise spectroscopic analysis and long-term monitoring. Theorists estimate that there could be between 20 and 200 TŻOs in the Milky Way, but none have been confirmed beyond reasonable doubt.

A distant red supergiant in the Small Magellanic Cloud glows among nearby blue stars while Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What happens to a TŻO?

The lifespan of a TŻO is relatively short — about 100,000 to a million years. During this time, the neutron star continues to accrete material from the red supergiant. Eventually, the outer layers of the star may be lost, either through stellar winds or through the neutron star’s gravitational influence. When this happens, the remaining material could form a massive accretion disk around the neutron star. This disk might then collapse to form a new star, becoming a companion to the neutron star. Alternatively, the neutron star might accrete enough mass to collapse into a black hole.

A long-baseline gravitational-wave observatory stretches across a flat landscape at dawn Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The end of a TŻO is not the end of the story. The processes that occur inside these hybrids could leave behind signatures in the form of unusual chemical compositions or gravitational waves. In fact, the only way to definitively confirm a TŻO is through a multi-messenger detection — a combination of gravitational wave data and optical spectroscopy. Current detectors like LIGO LIGO may be able to pick up the continuous gravitational wave signals from the neutron star core, while telescopes could analyse the star’s chemical fingerprint.

What we still don’t know

Despite decades of theoretical work and a few tantalizing candidates, we still don’t know for sure if TŻOs exist. The evidence remains circumstantial. We don’t know how often these objects form, or what their exact internal structure looks like. We don’t know if the neutron star at the core is accreting steadily or in bursts, or how the fusion processes on its surface differ from those in normal stars. And we don’t know what the final fate of a TŻO is — whether it becomes a black hole, a pulsar with a disk, or something else entirely.

A Thorne-Zytkow-like star has shed its outer layers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What we do know is that if TŻOs exist, they challenge our understanding of how stars evolve and how elements are forged in the universe. They are a reminder that the cosmos is full of surprises — and that the most interesting things are often the ones we didn’t expect.

一颗红超巨星，散发着垂死巨人的热量，实际上可能是一块宇宙三明治——一个活着的恒星包裹着一颗死去的中子星。这些被称为托恩-兹特科天体的奇特混合体，早在1977年就被预测存在，至今仍在宇宙中被追寻。

20世纪70年代，两位物理学家——Kip Thorne和Anna Żytkow——设想了一种违反恒星演化通常规则的恒星。他们提出，如果一个中子星——超大质量恒星supernova supernova的超高密度残余——坠入红超巨星的中心，两者可能会合并成一个不稳定的混合体。中子星不会使巨星坍缩，而是会成为一种核心，吞噬其外层，同时恒星继续发光。这是对托恩-兹托克天体（Thorne–Żytkow object）或TŻO的首次理论模型。

这种天体的形成始于双星系统。其中一颗恒星，通常质量更大，会以supernova supernova的形式爆发，留下一个中子星。第二颗恒星，现在独自存在，继续演化。最终，它膨胀成红超巨星，其外层扩展至包裹中子星。中子星密度高、体积小，会沿着恒星的对流层向内螺旋，缓慢沉降到核心。这个过程可能需要数百年，但一旦两者合并，结果将是一个表面正常但核心是中子星的恒星。

TŻO之所以如此奇特，是因为它的行为方式。核心的中子星非常热——温度可超过十亿开尔文。当红超巨星的物质落在中子星上时，会在其表面触发不寻常的核反应。这些反应以不同于普通恒星的方式产生锂、钼和铷等元素。结果是一个看起来像红超巨星的恒星，但其化学特征却异常——这是内部发生异常现象的线索。

寻找TŻOs

第一个潜在的TŻO是在2014年发现的。一颗名为HV 2112的恒星，位于Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud，显示出锂、铷和钼等元素的异常丰富。这些正是Kip Thorne和安娜·兹托克（Anna Żytkow）所预测的化学特征。这颗恒星的亮度也异常高，这可以通过中子星核心产生的额外能量来解释。一段时间内，它被认为是第一个确认的TŻO。

但这一说法并非没有争议。2018年，以艾玛·比索（Emma Beasor）为首的团队重新分析了数据，发现许多所谓的异常并不如最初认为的那样清晰。他们认为，HV 2112的锂丰富可能由其他过程引起，其亮度也没有声称的那么极端。相反，他们提出另一颗恒星HV 11417作为更有希望的候选者。这颗恒星也显示出高含量的铷，这一特征与TŻO模型一致。

对TŻOs的搜索仍在继续。由于这些天体非常稀有，其特征也很微妙，识别它们需要精确的光谱分析和长期监测。理论家估计，银河系中可能有20到200个TŻOs，但目前尚无确凿证据。

TŻO的命运

TŻO的寿命相对较短——大约10万到100万年。在此期间，中子星继续从红超巨星吸收物质。最终，恒星的外层可能会通过恒星风或中子星的引力影响而流失。当这种情况发生时，剩余的物质可能会围绕中子星形成一个巨大的吸积盘。这个盘可能会坍缩形成一颗新的恒星，成为中子星的伴星。或者，中子星可能会吸收足够的质量而坍缩成一个黑洞。

TŻO的终结并不是故事的终结。这些混合体内部发生的过程可能会留下以不寻常的化学成分或引力波形式的特征。事实上，确认TŻO的唯一方法是通过多信使探测——结合引力波数据和光学光谱分析。当前的探测器如LIGO可能能够探测到中子星核心持续的引力波信号，而望远镜可以分析恒星的化学特征。

我们仍不知道的事情

尽管几十年的理论研究和一些引人注目的候选者，我们仍不确定TŻOs是否存在。证据仍然是间接的。我们不知道这些天体形成有多频繁，或它们的确切内部结构是什么。我们不知道核心的中子星是稳定吸积还是以爆发形式吸积，也不知道其表面的聚变过程与普通恒星有何不同。我们也不知道TŻO的最终命运——它是否会变成黑洞、一个带有吸积盘的脉冲星，或者完全变成其他东西。

我们知道的是，如果TŻOs存在，它们将挑战我们对恒星如何演化以及元素如何在宇宙中形成的理解。它们提醒我们，宇宙充满了惊喜——而最有趣的事物往往是我们未曾预料到的。

Una estrella supergigante roja, que brilla con el calor de un gigante moribundo, podría ser en realidad un sándwich cósmico: una estrella viva envolviendo a una estrella de neutrones muerta. Estos son objetos de Thorne–Żytkow, híbridos extraños predichos en 1977 y aún buscados en el cosmos.

En la década de 1970, dos físicos — Kip Thorne y Anna Żytkow — imaginaron un tipo de estrella que desafiaba las reglas usuales de la evolución estelar. Propusieron que si una estrella de neutrones, el remanente ultradenso de una supernova supernova, se precipitara al corazón de una supergigante roja, las dos podrían fusionarse en un híbrido inestable. La estrella de neutrones no colapsaría a la gigante, sino que se convertiría en un tipo de núcleo, alimentándose de sus capas externas mientras la estrella continuaba brillando. Este fue el primer modelo teórico de un objeto Thorne–Żytkow, o TŻO.

La formación de tal objeto comenzaría en un sistema binario. Una estrella, típicamente más masiva, explota como una supernova supernova, dejando atrás una estrella de neutrones. La segunda estrella, ahora sola, continúa evolucionando. Finalmente, se hincha en una supergigante roja, cuyas capas externas se expanden hasta envolver a la estrella de neutrones. La estrella de neutrones, densa y compacta, se espiralaría hacia adentro a través de las capas convectivas de la estrella, hundiéndose lentamente hacia el núcleo. Este proceso podría durar cientos de años, pero una vez que las dos se fusionaran, el resultado sería una estrella con una superficie normal pero con una estrella de neutrones en su centro.

Lo que hace tan extraño a un TŻO es la manera en que se comporta. La estrella de neutrones en el núcleo es increíblemente caliente: las temperaturas pueden superar mil millones de grados Kelvin. A medida que la materia de la supergigante roja cae sobre la estrella de neutrones, se desencadenan reacciones nucleares inusuales en su superficie. Estas reacciones producen elementos como litio, molibdeno y rubidio de maneras que no son típicas de las estrellas ordinarias. El resultado es una estrella que se parece a una supergigante roja por fuera, pero que tiene una firma química anormal — una pista de que algo extraño está sucediendo por dentro.

La búsqueda de los TŻOs

El primer candidato potencial de TŻO fue identificado en 2014. Una estrella llamada HV 2112, ubicada en la Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud, mostró abundancias inusuales de elementos como litio, rubidio y molibdeno. Estos son exactamente los tipos de firmas químicas que Kip Thorne y Anna Żytkow habían predicho. La estrella también era inusualmente luminosa, lo cual podría explicarse por la energía adicional generada por el núcleo de la estrella de neutrones. Por un tiempo, fue celebrada como el primer TŻO confirmado.

Pero la afirmación no carecía de controversia. En 2018, un equipo liderado por Emma Beasor reexaminó los datos y descubrió que muchas de las supuestas anomalías no eran tan claras como se había creído inicialmente. Sugerieron que la riqueza en litio de HV 2112 podría deberse a otros procesos, y que su luminosidad no era tan extrema como se afirmaba. En lugar de eso, propusieron otra estrella, HV 11417, como un candidato más prometedor. Esta estrella también mostraba una alta abundancia de rubidio, una característica consistente con los modelos de TŻO.

La búsqueda de TŻOs continúa. Debido a que estos objetos son tan raros y sus firmas sutiles, identificarlos requiere un análisis espectral preciso y un monitoreo a largo plazo. Los teóricos estiman que podría haber entre 20 y 200 TŻOs en la Vía Láctea, pero ninguno ha sido confirmado más allá de toda duda razonable.

¿Qué sucede con un TŻO?

La vida útil de un TŻO es relativamente corta: unos cien mil a un millón de años. Durante este tiempo, la estrella de neutrones continúa acumulando materia de la supergigante roja. Finalmente, las capas externas de la estrella podrían perderse, ya sea a través del viento estelar o por la influencia gravitacional de la estrella de neutrones. Cuando esto ocurre, el material restante podría formar un disco de acreción masivo alrededor de la estrella de neutrones. Este disco podría colapsar para formar una nueva estrella, convirtiéndose en compañera de la estrella de neutrones. Alternativamente, la estrella de neutrones podría acumular suficiente masa como para colapsar en un agujero negro.

El fin de un TŻO no es el fin de la historia. Los procesos que ocurren dentro de estos híbridos podrían dejar firmas en forma de composiciones químicas inusuales o ondas gravitacionales. De hecho, la única manera de confirmar definitivamente un TŻO es mediante una detección multimensaje: una combinación de datos de ondas gravitacionales y espectroscopía óptica. Detectores actuales como LIGO pueden ser capaces de captar las señales continuas de ondas gravitacionales del núcleo de la estrella de neutrones, mientras que telescopios podrían analizar la firma química de la estrella.

Lo que aún no sabemos

A pesar de décadas de trabajo teórico y algunos candidatos tentadores, aún no sabemos con certeza si los TŻOs existen. La evidencia sigue siendo circunstancial. No sabemos con qué frecuencia se forman estos objetos, ni cómo es su estructura interna exacta. No sabemos si la estrella de neutrones en el núcleo se está acumulando de manera constante o en ráfagas, ni cómo difieren los procesos de fusión en su superficie de los de las estrellas normales. Y no sabemos cuál es el destino final de un TŻO: si se convierte en un agujero negro, en un púlsar con un disco, o en algo completamente distinto.

Lo que sí sabemos es que, si los TŻOs existen, desafían nuestra comprensión de cómo evolucionan las estrellas y cómo se forman los elementos en el universo. Son un recordatorio de que el cosmos está lleno de sorpresas — y de que las cosas más interesantes suelen ser las que no esperábamos.

赤色超巨星で、死にゆく巨大な星の熱を放ちながら輝いているその星は、実際には宇宙的サンドイッチであるかもしれない。つまり、生きている星が中空に死んだ中性子星を包み込んでいる構造だ。これらは1977年に予測された奇妙なハイブリッド星で、トーナー＝ジトコフ対象（Thorne–Żytkow objects）と呼ばれ、今もなお宇宙の探求が続く。

1970年代に、2人の物理学者 — Kip Thorne と Anna Żytkow — は、通常の恒星進化のルールを覆すような星を想像した。彼らは、中性子星 — supernova supernova の超密度な残骸 — が赤超巨星の中心へと落下する場合、2つが単一の不安定なハイブリッドに合体する可能性を提案した。中性子星は巨星を崩壊させず、かわりにその外層を食べて、星が引き続き輝くような核になるだろう。これが、トーナー・ジトコフ天体、略してTŻOの最初の理論的モデルだった。

このような天体の形成は、連星系で始まる。一方の星、通常は質量が大きいほうの星が、supernova supernova として爆発し、中性子星を残す。もう一方の星は、今や孤立して進化を続ける。やがてそれは赤超巨星に膨れ上がり、外層が中性子星を包み込むまで膨張する。密度が高く、コンパクトな中性子星は、星の対流層を内側へと渦巻きながらゆっくりと中心へと沈み下がる。この過程は数百年かかるかもしれないが、一旦2つが合体すると、表面は普通の星のように見えるが、心臓部には中性子星が存在する星になる。

TŻO がいかに奇妙かを特徴付けるのは、その振る舞いである。中心にある中性子星は非常に高温で、温度は10億ケルビンを超えることもある。赤超巨星からの物質が中性子星に降り注ぐと、その表面で通常の星では見られない核反応が引き起こされる。これらの反応は、リチウム、モリブデン、ルビジウムといった元素を通常の星では見られない方法で生成する。その結果、外見は赤超巨星だが、化学組成の指紋が異なっていて、内部で何か奇妙なことが起こっていることを示唆する手がかりになる。

TŻOの探求

最初の有望なTŻOは2014年に確認された。Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloudに位置するHV 2112という星は、リチウム、ルビジウム、モリブデンといった元素の異常な含有量を示していた。これらは、Kip Thorne とアーナ・ジトコフが予測したまさにその化学的特徴だった。また、この星は異常に明るく、中性子星のコアが生成する追加のエネルギーで説明できる。一時期、これは最初の確認されたTŻOと評された。

しかし、この主張には賛否両論があった。2018年、エマ・ビーソーが率いるチームがデータを再検討した結果、多くの予想された異常は当初考えられていたほど明確ではないことが分かった。彼らは、HV 2112のリチウムの豊富さは他の過程による可能性があり、明るさも主張されたほど極端ではないと指摘した。かわりに、HV 11417という別の星をより有望な候補として提案した。この星もルビジウムの高含有量を示しており、TŻOモデルと一致する特徴を持っている。

TŻOの探求は今も続いている。これらの天体は非常に希少で、その特徴も微妙であるため、特定するには精密な分光分析と長期的な観測が必要である。理論家によれば、銀河系には20から200個のTŻOがあると推定されているが、どれも確証を得ていない。

TŻOの運命は？

TŻOの寿命は比較的短く、10万年から100万年程度である。この期間中、中性子星は赤超巨星からの物質を引き続き吸収し続ける。やがて、星の外層は星風によって、あるいは中性子星の重力の影響によって失われる可能性がある。そうなれば、残された物質は中性子星の周囲に巨大な吸収円盤を形成するかもしれない。この円盤は、新たな星として中性子星の伴星になる可能性がある。あるいは、中性子星が十分な質量を吸収して、ブラックホールに崩壊するかもしれない。

TŻOの終わりが物語の終わりではない。こうしたハイブリッドで起こるプロセスは、不思議な化学組成や重力波の形で痕跡を残す可能性がある。実際、TŻOを確証する唯一の方法は、重力波データと光学分光の組み合わせによるマルチメッセンジャー検出である。LIGOのような現在の検出器は、中性子星コアからの連続的な重力波信号を捉えることができるかもしれない一方、望遠鏡は星の化学的指紋を分析することができる。

まだわかっていないこと

何十年もの理論的研究といくつかの魅力的な候補にもかかわらず、TŻOが実際に存在するのかどうかはまだ確信を持って言えない。証拠は依然として間接的なものである。これらの天体がどのくらいの頻度で形成されるのか、あるいはその正確な内部構造がどのようなものなのかはわかっていない。コアにある中性子星が安定して物質を吸収しているのか、あるいは一時的な爆発的な吸収なのか、またその表面での核融合プロセスが通常の星とどのよう異なるのかは不明である。また、TŻOの最終的な運命がブラックホールになるのか、ディスクを持つパルサーになるのか、あるいはまったく別の何かになるのかは、まだ誰にもわかっていない。

わかっているのは、もしTŻOが存在するのだとすれば、それは恒星がどのように進化し、宇宙で元素がどのように生成されるかという理解に挑戦を投げかけるということだ。TŻOは、宇宙が満ちている驚きを思い出させてくれるし、最も興味深いものは、我々が予期しなかったものであることを我々に思い出させてくれる。

Uma estrela supergigante vermelha, brilhando com o calor de um gigante moribundo, pode na verdade ser um sanduíche cósmico — uma estrela viva envolvendo uma estrela de nêutrons morta. Estas são os objetos de Thorne–Żytkow, híbridos bizarros previstos em 1977 e ainda sendo procurados no cosmos.

Na década de 1970, dois físicos — Kip Thorne e Anna Żytkow — imaginaram um tipo de estrela que desafiava as regras habituais da evolução estelar. Eles propuseram que, se uma estrela de nêutrons, o remanescente ultradenso de uma supernova supernova, mergulhasse no coração de uma supergigante vermelha, as duas poderiam se fundir em um híbrido instável. A estrela de nêutrons não colapsaria a gigante, mas sim se tornaria um tipo de núcleo, alimentando-se de suas camadas externas enquanto a estrela continuava a brilhar. Esse foi o primeiro modelo teórico de um objeto Thorne–Żytkow, ou TŻO.

A formação desse objeto começaria em um sistema binário. Uma estrela, tipicamente mais massiva, explodiria como uma supernova supernova, deixando para trás uma estrela de nêutrons. A segunda estrela, agora sozinha, continuaria a evoluir. Eventualmente, ela se expandiria em uma supergigante vermelha, suas camadas externas crescendo até envolver a estrela de nêutrons. A estrela de nêutrons, densa e compacta, então desceria em espiral através das camadas convectivas da estrela, lentamente se aproximando do núcleo. Esse processo poderia durar centenas de anos, mas, uma vez que as duas se fundissem, o resultado seria uma estrela com uma superfície normal, mas com uma estrela de nêutrons em seu interior.

O que torna um TŻO tão estranho é a forma como ele se comporta. A estrela de nêutrons no núcleo é incrivelmente quente — as temperaturas podem exceder um bilhão de graus Kelvin. À medida que material da supergigante vermelha cai sobre a estrela de nêutrons, ele desencadeia reações nucleares incomuns em sua superfície. Essas reações produzem elementos como lítio, molibdênio e rubídio de maneiras que não são típicas de estrelas comuns. O resultado é uma estrela que parece uma supergigante vermelha por fora, mas que tem uma assinatura química anormal — um indício de que algo estranho está acontecendo por dentro.

A busca por TŻOs

O primeiro candidato potencial a TŻO foi identificado em 2014. Uma estrela chamada HV 2112, localizada no Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud, mostrou abundâncias incomuns de elementos como lítio, rubídio e molibdênio. Essas são exatamente as assinaturas químicas que Kip Thorne e Anna Żytkow haviam previsto. A estrela também era excepcionalmente luminosa, o que poderia ser explicado pela energia adicional gerada pelo núcleo de estrela de nêutrons. Por um tempo, foi aclamada como o primeiro TŻO confirmado.

Mas a afirmação não foi sem controvérsia. Em 2018, uma equipe liderada por Emma Beasor reexaminou os dados e descobriu que muitas das anomalias supostas não eram tão claras quanto inicialmente se acreditava. Eles sugeriram que a riqueza em lítio de HV 2112 poderia ser devida a outros processos, e sua luminosidade não era tão extrema quanto alegado. Em vez disso, eles propuseram outra estrela, HV 11417, como um candidato mais promissor. Essa estrela também mostrou uma alta abundância de rubídio, uma característica compatível com os modelos de TŻO.

A busca por TŻOs continua. Como esses objetos são tão raros e suas assinaturas sutis, identificá-los requer uma análise espectroscópica precisa e monitoramento a longo prazo. Teóricos estimam que possam existir entre 20 e 200 TŻOs na Via Láctea, mas nenhum foi confirmado além de qualquer dúvida razoável.

O que acontece com um TŻO?

A vida de um TŻO é relativamente curta — cerca de 100.000 a um milhão de anos. Durante esse período, a estrela de nêutrons continua a acumular material da supergigante vermelha. Eventualmente, as camadas externas da estrela podem ser perdidas, seja por ventos estelares ou pela influência gravitacional da estrela de nêutrons. Quando isso acontece, o material restante pode formar um disco de acreção massivo em torno da estrela de nêutrons. Esse disco, por sua vez, poderia colapsar para formar uma nova estrela, tornando-se um companheiro da estrela de nêutrons. Alternativamente, a estrela de nêutrons poderia acumular tanta massa que colapsaria em um buraco negro.

O fim de um TŻO não é o fim da história. Os processos que ocorrem dentro desses híbridos podem deixar marcas em forma de composições químicas incomuns ou ondas gravitacionais. De fato, a única maneira de confirmar definitivamente um TŻO é por meio de uma detecção multissensorial — uma combinação de dados de ondas gravitacionais e espectroscopia óptica. Detectores atuais como o LIGO podem ser capazes de captar os sinais contínuos de ondas gravitacionais emitidos pelo núcleo de estrela de nêutrons, enquanto telescópios poderiam analisar a assinatura química da estrela.

O que ainda não sabemos

Apesar de décadas de trabalho teórico e de alguns candidatos fascinantes, ainda não sabemos com certeza se os TŻOs existem. As evidências permanecem circunstanciais. Não sabemos com que frequência esses objetos se formam, nem qual é a sua estrutura interna exata. Não sabemos se a estrela de nêutrons no núcleo está acumulando material de forma constante ou em explosões, nem como os processos de fusão em sua superfície diferem dos de estrelas normais. E também não sabemos qual é o destino final de um TŻO — se ele se torna um buraco negro, um pulsar com um disco, ou algo completamente diferente.

O que sabemos é que, se os TŻOs existirem, eles desafiam nossa compreensão de como as estrelas evoluem e como os elementos são formados no universo. Eles nos lembram que o cosmos está cheio de surpresas — e que as coisas mais interessantes são frequentemente as que não esperávamos.

نجم عملاق أحمر، يلمع بحرارة عملاقٍ مُتَيَّمٍ، قد يكون في الحقيقة عبارة عن ساندويشٍ كوني — نجمٍ حي يلفّ نجمًا ميتًا من النيوترونات. هذه هي أجسام تورن-زيتكو، هياجٌ غريب تنبأ به العلماء في عام 1977، ويجري البحث عنهما حتى الآن في الفضاء.

في السبعينيات، افترض عالمان فيزيائيان — Kip Thorne وAnna Żytkow — نوعاً من النجوم التي تتحدى القواعد المعتادة لتطور النجوم. فقد اقترحوا أنه إذا اندفعت نجمة محايدة، وهي بقايا كثيفة للغاية لانفجار supernova supernova، نحو قلب نجم عملاق أحمر، فإن الاثنين قد يندمجان في كيان واحد غير مستقر. فلن تنهار النجمة المحايدة النجمة العملاقة، بل ستتحول إلى نوع من النواة، وستتغذى على طبقاتها الخارجية بينما يستمر النجم في اللمعان. وهكذا ظهر أول نموذج نظري لنجم ثورن-زيتاكو، أو TŻO.

بدأ تشكل هذا النوع من الكائنات في نظام ثنائي. فنجم، عادةً أكثر كتلة، ينفجر كsupernova supernova، مخلفاً وراءه نجمة محايدة. أما النجم الثاني، الآن وحيداً، فيستمر في التطور. وفي النهاية، يتوسع ليصبح نجمة عملاقة حمراء، تتوسع طبقاته الخارجية حتى تغطي النجم المحايد. والآن، كثيف وضيّق، ينكمش نحو الداخل عبر طبقات النجم المُحْرَكَة، متجهاً ببطء نحو النواة. وقد يستغرق هذا العملية مئات السنين، لكن بمجرد أن يندمج الاثنين، ينتج نجم يظهر سطحه طبيعياً لكنه يحتوي نجمة محايدة في قلبه.

ما يجعل TŻO غريباً هو الطريقة التي يتصرف بها. فالنجم المحايد في النواة ساخن للغاية — يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة مليار درجة كلفن. وعندما تسقط مواد من النجم العملاق الأحمر على النجم المحايد، تُشَكِّل تفاعلات نووية غريبة على سطحه. تُنتج هذه التفاعلات عناصر مثل الليثيوم، والموبيديوم، والرُّبِيديوم بطريقة غير معتادة في النجوم العادية. النتيجة هي نجم يشبه من الخارج نجمة عملاقة حمراء، لكنه يحمل بصمة كيميائية غير طبيعية، إشارة إلى أن شيئاً غريباً يحدث داخلياً.

بحثٌ عن TŻOs

تم تحديد أول كائن محتمل من نوع TŻO في عام 2014. نجم يُدعى HV 2112، موجود في Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud، أظهر كميات غير عادية من عناصر مثل الليثيوم، والرُّبِيديوم، والموبيديوم. وهذه بالضبط هي التوقيعات الكيميائية التي توقعتها نظريات Kip Thorne وآنّا زيتاكو. كما أن النجم كان مضيئاً بشكل غير معتاد، مما يمكن تفسيره بالطاقة الإضافية الناتجة عن النواة المحايدة. فعلى حين ما تم الإشادة به كأول TŻO مؤكدة.

لكن هذا الادعاء لم يكن خالياً من الجدل. ففي عام 2018، أعاد فريق بقيادة إيمما بياسور تحليل البيانات ووجد أن العديد من التناقضات المفترضة لم تكن واضحة كما ظهرت في البداية. فقد اقترحوا أن غنى HV 2112 بالليثيوم قد يكون ناتجاً من عمليات أخرى، وأن سطوعه لم يكن مفرطاً كما اُدّعي. وبدلاً من ذلك، اقترحوا نجماً آخر، HV 11417، كمرشح أكثر وعداً. فهذا النجم أظهر أيضاً كمية عالية من الرُّبِيديوم، وهو متوافق مع نماذج TŻO.

ما زال البحث عن TŻOs مستمراً. نظراً لقلة هذه الكائنات ووضوح توقيعاتها، يتطلب تحديدها تحليلات طيفية دقيقة ومراقبة طويلة الأمد. يقدّر النظريون أن هناك ما بين 20 إلى 200 TŻO في درب التبانة، لكن لم تُؤكد أي واحدة منها بثقة تامة.

ما الذي يحدث لـ TŻO؟

مدة حياة TŻO قصيرة نسبياً — حوالي 100000 إلى مليون سنة. خلال هذه الفترة، تستمر النجمة المحايدة في امتصاص المواد من النجم العملاق الأحمر. في النهاية، قد تفقد طبقات النجم الخارجية، إما عبر الرياح النجمية أو عبر تأثير الجاذبية للنجم المحايد. وعندما يحدث ذلك، قد تشكل المواد المتبقية قرصاً ضخماً من التراكم حول النجم المحايد. وقد ينهار هذا القرص لتشكيل نجم جديد يصبح رفيقاً للنجم المحايد. أو ربما يمتص النجم المحايد كمية كافية من الكتلة ليتقلص إلى ثقب أسود.

النهاية TŻO ليست نهاية القصة. فقد تترك العمليات التي تحدث داخل هذه الهجينة توقيعات على هيئة تكوينات كيميائية غريبة أو موجات الجاذبية. ففي الواقع، فإن الطرق الوحيدة لتأكيد TŻO بشكل قاطع هي الكشف متعدد الرسائل — مزيج من بيانات موجات الجاذبية والتحليل الطيفي البصري. فقد تكون أجهزة كاشفة مثل LIGO LIGO قادرة على التقاط إشارات موجات الجاذبية المستمرة من النواة المحايدة، بينما يمكن للتلسكوبات تحليل بصمة النجم الكيميائية.

ما لا نزال لا نعرفه

رغم عقود من العمل النظري وجودة المرشحين المثيرة، لا نزال لا نعرف بثقة ما إذا كانت TŻOs موجودة فعلاً. فالبراهين ما زالت ظرفية. لا نعرف كم مرة تتشكل هذه الكائنات أو ما هي هيكلها الداخلي بالضبط. لا نعرف إن كانت النجمة المحايدة في النواة تُمتص بشكل مستمر أو على دفعات، أو كيف تختلف عمليات الاندماج على سطحها عن تلك الموجودة في النجوم العادية. ولا نعرف ما هي المصير النهائي لـ TŻO — هل تتحول إلى ثقب أسود، أو نجمة نابضة مع قرص، أو شيء آخر بالكامل؟

ما نعرفه بالفعل هو أنه إذا كانت TŻOs موجودة، فإنها تتحدى فهمنا لطريقة تطور النجوم ولطريقة تشكيل العناصر في الكون. إنها تذكير بأن الكون مليء بالأسرار — وأن أكثر الأشياء إثارةً هي تلك التي لم نتوقعها أصلاً.

Eine rote Supergigantin, die mit der Hitze eines sterbenden Riesen leuchtet, könnte tatsächlich ein kosmischer Sandwich sein – ein lebender Stern, der einen toten Neutronenstern umgibt. Diese sind Thorne–Żytkow-Objekte, seltsame Hybride, die 1977 vorhergesagt wurden und die noch immer in den Tiefen des Kosmos gesucht werden.

In den 1970er Jahren stellten zwei Physiker — Kip Thorne und Anna Żytkow — sich eine Art Stern vor, die den üblichen Regeln der Sternentwicklung Hohn sprach. Sie schlugen vor, dass, wenn ein Neutronenstern, das ultra-dichte Überbleibsel eines supernova supernova, in das Herz eines Rotsupergiants stürzen würde, die beiden sich zu einem einzelnen, instabilen Hybrid verschmelzen könnten. Der Neutronenstern würde den Riesen nicht zusammenbrechen lassen, sondern stattdessen zu einer Art Kern werden, der von dessen äußeren Schichten nährte, während der Stern weiterhin leuchtete. Dies war das erste theoretische Modell eines Thorne–Żytkow-Objekts, oder TŻO.

Die Entstehung eines solchen Objekts würde in einem Doppelsternsystem beginnen. Ein Stern, typischerweise massereicher, explodiert als supernova supernova, hinterlässt einen Neutronenstern. Der zweite Stern, nun allein, entwickelt sich weiter. Schließlich dehnt er sich zu einem Rotsupergiant aus, wobei seine äußeren Schichten sich so weit ausdehnen, dass sie den Neutronenstern umschließen. Der Neutronenstern, dicht und kompakt, würde dann durch die konvektiven Schichten des Sterns nach innen spiralen und langsam zum Kern sinken. Dieser Prozess könnte mehrere hundert Jahre dauern, doch sobald sich die beiden verschmolzen hätten, wäre das Ergebnis ein Stern mit einer normalen Oberfläche, doch einem Neutronenstern im Inneren.

Was einen TŻO so seltsam macht, ist die Art und Weise, wie er sich verhält. Der Neutronenstern im Kern ist unglaublich heiß – Temperaturen können eine Milliarde Kelvin übertreffen. Wenn Material vom Rotsupergiant auf den Neutronenstern fällt, löst dies ungewöhnliche Kernreaktionen auf dessen Oberfläche aus. Diese Reaktionen erzeugen Elemente wie Lithium, Molybdän und Rubidium auf Weise, die bei normalen Sternen nicht typisch sind. Das Ergebnis ist ein Stern, der von außen wie ein Rotsupergiant aussieht, aber eine chemische Fingerabdruck, der nicht stimmt – ein Hinweis darauf, dass etwas Seltsames im Inneren vor sich geht.

Die Suche nach TŻOs

Das erste potenzielle TŻO wurde 2014 identifiziert. Ein Stern namens HV 2112, gelegen in der Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud, zeigte ungewöhnliche Mengen an Elementen wie Lithium, Rubidium und Molybdän. Diese sind genau die Art von chemischen Signaturen, die Kip Thorne und Anna Żytkow vorhergesagt hatten. Der Stern war auch ungewöhnlich hell, was durch die zusätzliche Energie, die vom Neutronensternkern erzeugt wird, erklärt werden konnte. Für eine Zeit galt er als der erste bestätigte TŻO.

Doch der Anspruch war nicht ohne Kontroversen. 2018 untersuchte ein Team unter der Leitung von Emma Beasor die Daten erneut und fand heraus, dass viele der vermeintlichen Anomalien nicht so klar waren, wie ursprünglich angenommen. Sie vermuteten, dass die Lithiumvermehrung von HV 2112 auf andere Prozesse zurückzuführen sein könnte, und dass seine Helligkeit nicht so extrem war, wie behauptet. Stattdessen schlugen sie einen anderen Stern, HV 11417, als vielversprechenderen Kandidaten vor. Auch dieser Stern zeigte eine hohe Konzentration an Rubidium, ein Merkmal, das mit TŻO-Modellen übereinstimmt.

Die Suche nach TŻOs ist noch immer im Gange. Da diese Objekte so selten und ihre Signaturen subtil sind, erfordert ihre Identifizierung präzise spektroskopische Analysen und langfristige Beobachtung. Theoretiker schätzen, dass es zwischen 20 und 200 TŻOs in der Milchstraße geben könnte, doch keiner davon wurde bislang mit Sicherheit bestätigt.

Was geschieht mit einem TŻO?

Die Lebensdauer eines TŻOs ist relativ kurz – etwa 100.000 bis eine Million Jahre. In dieser Zeit sammelt der Neutronenstern weiterhin Material vom Rotsupergiant an. Schließlich könnten die äußeren Schichten des Sterns entweder durch Sternwinde oder durch die Schwerkraft des Neutronensterns verloren gehen. Wenn dies geschieht, könnte das verbleibende Material einen massiven Akkretionsscheiben um den Neutronenstern bilden. Diese Scheibe könnte sich dann zu einem neuen Stern zusammenballen und zu einem Begleiter des Neutronensterns werden. Alternativ könnte der Neutronenstern genug Masse ansammeln, um in ein Schwarzes Loch zu kollabieren.

Das Ende eines TŻOs ist nicht das Ende der Geschichte. Die Prozesse, die in diesen Hybriden stattfinden, könnten Signaturen in Form ungewöhnlicher chemischer Zusammensetzung oder Gravitationswellen hinterlassen. Tatsächlich ist die einzige Weise, einen TŻO eindeutig zu bestätigen, eine multimessenger-Detektion – eine Kombination aus Gravitationswellendaten und optischer Spektroskopie. Aktuelle Detektoren wie LIGO könnten kontinuierliche Gravitationswellensignale vom Neutronensternkern aufnehmen, während Teleskope den chemischen Fingerabdruck des Sterns analysieren könnten.

Was wir noch immer nicht wissen

Trotz Jahrzehntelanger theoretischer Arbeit und einiger faszinierender Kandidaten wissen wir immer noch nicht mit Sicherheit, ob TŻOs existieren. Die Beweise bleiben umstritten. Wir wissen nicht, wie oft diese Objekte entstehen, oder wie ihre genaue innere Struktur aussieht. Wir wissen nicht, ob der Neutronenstern im Kern kontinuierlich Material ansammelt oder in Bursts, oder wie sich die Fusionsprozesse auf seiner Oberfläche von denen in normalen Sternen unterscheiden. Und wir wissen nicht, welches das endgültige Schicksal eines TŻOs ist – ob es zu einem Schwarzen Loch, einem Pulsar mit einem Scheiben oder etwas ganz anderem wird.

Was wir jedoch wissen, ist, dass, wenn TŻOs existieren, sie unser Verständnis davon herausfordern, wie Sterne sich entwickeln und wie Elemente im Universum entstehen. Sie sind eine Erinnerung daran, dass das Universum voller Überraschungen ist – und dass die interessantesten Dinge oft die sind, die wir nicht erwartet haben.

Une étoile supergéante rouge, brillant de la chaleur d'un géant mourant, pourrait en réalité être un sandwich cosmique — une étoile vivante enveloppant une étoile à neutrons morte. Il s'agit des objets de Thorne–Żytkow, des hybrides bizarres prédits en 1977 et toujours recherchés dans le cosmos.

Dans les années 1970, deux physiciens — Kip Thorne et Anna Żytkow — ont imaginé un type d'étoile qui défiait les règles habituelles de l'évolution stellaire. Ils ont proposé qu'une étoile à neutrons, le reste ultra-dense d'une supernova supernova, si elle plongeait dans le cœur d'une supergéante rouge, les deux pourraient fusionner en un hybride instable. L'étoile à neutrons ne ferait pas s'effondrer la géante, mais deviendrait un genre de noyau, se nourrissant de ses couches externes tout en laissant l'étoile continuer à briller. C'était le premier modèle théorique d'un objet Thorne–Żytkow, ou TŻO.

La formation d'un tel objet commencerait dans un système binaire. Une étoile, généralement plus massive, explose en tant que supernova supernova, laissant derrière elle une étoile à neutrons. La deuxième étoile, désormais seule, continue son évolution. Finalement, elle se dilate en une supergéante rouge, ses couches externes s'étendant jusqu'à englober l'étoile à neutrons. L'étoile à neutrons, dense et compacte, spiralerait alors vers l'intérieur à travers les couches convectives de l'étoile, s'enfonçant lentement vers le noyau. Ce processus pourrait prendre plusieurs centaines d'années, mais une fois les deux fusionnées, le résultat serait une étoile dont la surface paraît normale, mais qui abriterait une étoile à neutrons au cœur.

Ce qui rend un TŻO si étrange, c'est la manière dont il se comporte. L'étoile à neutrons au cœur est extrêmement chaude — les températures peuvent dépasser un milliard de degrés Kelvin. Lorsque la matière de la supergéante rouge tombe sur l'étoile à neutrons, cela déclenche des réactions nucléaires inhabituelles à sa surface. Ces réactions produisent des éléments tels que le lithium, le molybdène et le rubidium, d'une manière qui n'est pas typique des étoiles ordinaires. Le résultat est une étoile qui ressemble à une supergéante rouge de l'extérieur, mais dont la composition chimique est anormale — un indice révélant que quelque chose d'étrange se produit à l'intérieur.

La recherche des TŻO

Le premier candidat potentiel TŻO a été identifié en 2014. Une étoile nommée HV 2112, située dans la Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud, montrait des abondances inhabituelles d'éléments tels que le lithium, le rubidium et le molybdène. Ce sont exactement les signatures chimiques que Kip Thorne et Anna Żytkow avaient prédites. L'étoile était également inhabituellement lumineuse, ce qui pouvait s'expliquer par l'énergie supplémentaire générée par le noyau d'étoile à neutrons. Pendant un temps, elle a été célébrée comme le premier TŻO confirmé.

Mais cette affirmation n'était pas sans controverse. En 2018, une équipe menée par Emma Beasor a réexaminé les données et a constaté que beaucoup des anomalies supposées n'étaient pas aussi claires qu'initialement pensées. Elles ont suggéré que l'enrichissement en lithium de HV 2112 pouvait être dû à d'autres processus, et que sa luminosité n'était pas aussi extrême que revendiquée. Elles ont proposé à la place une autre étoile, HV 11417, comme candidat plus prometteur. Cette étoile montrait également une abondance élevée de rubidium, une caractéristique cohérente avec les modèles TŻO.

La recherche des TŻO continue. Comme ces objets sont si rares et leurs signatures subtils, les identifier exige une analyse spectroscopique précise et une surveillance à long terme. Les théoriciens estiment qu'il pourrait y avoir entre 20 et 200 TŻO dans la Voie lactée, mais aucun n'a été confirmé au-delà de tout doute raisonnable.

Quel est le destin d'un TŻO ?

La durée de vie d'un TŻO est relativement courte — environ 100 000 à un million d'années. Pendant cette période, l'étoile à neutrons continue d'accrétionner de la matière provenant de la supergéante rouge. Finalement, les couches externes de l'étoile pourraient être perdues, soit par des vents stellaires, soit par l'influence gravitationnelle de l'étoile à neutrons. Quand cela se produit, le matériau restant pourrait former un disque d'accrétion massif autour de l'étoile à neutrons. Ce disque pourrait alors s'effondrer pour former une nouvelle étoile, devenant un compagnon de l'étoile à neutrons. En alternative, l'étoile à neutrons pourrait accrétionner suffisamment de masse pour s'effondrer en un trou noir.

La fin d'un TŻO n'est pas la fin de l'histoire. Les processus qui se produisent à l'intérieur de ces hybrides pourraient laisser des indices sous forme de compositions chimiques inhabituelles ou d'ondes gravitationnelles. En fait, la seule manière de confirmer définitivement un TŻO est par une détection multi-messager — une combinaison de données d'ondes gravitationnelles et de spectroscopie optique. Des détecteurs actuels comme LIGO LIGO pourraient être capables de capter les signaux continus d'ondes gravitationnelles provenant du cœur de l'étoile à neutrons, tandis que des télescopes pourraient analyser l'empreinte chimique de l'étoile.

Ce que nous ne savons toujours pas

Malgré des décennies de travail théorique et quelques candidats captivants, nous ne savons toujours pas avec certitude si les TŻO existent. Les preuves restent circonstancielles. Nous ne savons pas à quelle fréquence ces objets se forment, ni à quoi ressemble leur structure interne exacte. Nous ne savons pas si l'étoile à neutrons au cœur accrète de manière continue ou par sursauts, ni comment les processus de fusion à sa surface diffèrent de ceux des étoiles normales. Et nous ne savons pas quel est le destin final d'un TŻO — s'il devient un trou noir, un pulsar avec un disque, ou quelque chose d'autre entièrement.

Ce que nous savons, c'est que si les TŻO existent, ils remettent en question notre compréhension de la manière dont les étoiles évoluent et des éléments sont façonnés dans l'univers. Ils nous rappellent que le cosmos regorge de surprises — et que les choses les plus intéressantes sont souvent celles que nous n'attendions pas.

거대한 적색 초거성은 죽어가는 거인의 열기로 빛나지만, 사실은 코스믹 샌드위치일지도 모른다. 살아 있는 항성 하나가 죽은 중성자별을 감싼 것이다. 이들은 1977년에 예측된, 여전히 우주 속에서 찾고 있는 이색적인 하이브리드 천체인 [[Thorne–Żytkow objects]]이다.

1970년대에 두 명의 물리학자 — Kip Thorne과 Anna Żytkow —는 별의 진화 법칙을 거스르는 새로운 종류의 별을 상상했다. 그들은 만약 중성자별, 즉 supernova supernova의 극도로 밀도 높은 잔해가 적색초거성의 중심부로 떨어진다면, 두 개체가 불안정한 하이브리드 하나로 합쳐질 수 있다고 제안했다. 중성자별은 거대한 별을 붕괴시키지 않고, 대신 그 안쪽의 코어처럼 작용하면서 외부층을 섭취하면서 별이 계속 빛나게 할 것이라고 했다. 이것이 바로 토른-즈이트코브 오브젝트(Thorne–Żytkow object), 또는 TŻO의 첫 이론적 모델이었다.

이러한 오브젝트의 형성은 이진 시스템에서 시작된다. 하나의 별, 보통 더 질량이 많은 별이 supernova supernova으로 폭발하면서 중성자별을 남긴다. 두 번째 별은 이제 혼자 남아 진화를 계속한다. 결국 이 별은 적색초거성으로 부풀어 오르며, 외부층이 중성자별을 포용할 만큼 확장된다. 밀도가 높고 컴팩트한 중성자별은 별의 대류층을 통해 내부로 나선형으로 빠져들면서 천천히 중심부로 가라앉는다. 이 과정은 수백 년이 걸릴 수 있지만, 두 개체가 합쳐지면 표면은 정상처럼 보이지만 중심부에 중성자별이 있는 별이 된다.

TŻO이 이처럼 이상한 이유는 그것이 어떻게 행동하는지 때문이다. 중심부의 중성자별은 엄청나게 뜨겁다. 온도는 10억 도 켈빈을 넘을 수 있다. 적색초거성에서의 물질이 중성자별로 떨어지면서 그 표면에서 독특한 핵반응이 일어난다. 이 반응은 리튬, 몰리브데넘, 루비듐 같은 원소를 보통의 별에서는 보이지 않는 방식으로 생성한다. 결과적으로 이 별은 외부에서는 적색초거성처럼 보이지만, 화학적 지문이 다르다. 이는 내부에서 이상한 일이 일어나고 있다는 단서이다.

TŻO의 탐색

첫 번째 잠재적인 TŻO은 2014년에 발견되었다. Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud에 위치한 별 HV 2112는 리튬, 루비듐, 몰리브데넘 같은 원소의 비정상적인 함량을 보였다. 이는 바로 Kip Thorne과 아나 줄코프(Anna Żytkow)가 예측했던 화학적 특징과 정확히 일치한다. 이 별은 또한 비정상적으로 밝았는데, 이는 중성자별 코어에서 추가적인 에너지가 생성되기 때문일 수 있었다. 잠시 동안 이 별은 첫 번째로 확정된 TŻO로 환영받았다.

그러나 이 주장은 논란이 따랐다. 2018년, 엠마 비소르(Emma Beasor)가 이끄는 연구팀은 데이터를 재검토한 결과, 예상했던 이상 현상 중 많은 부분이 처음에 생각했던 것만큼 명확하지 않다는 것을 발견했다. 그들은 HV 2112의 리튬 풍부함이 다른 과정에서 비롯되었을 수 있으며, 밝기 또한 주장했던 것만큼 극단적이지 않다고 제안했다. 대신, 그들은 HV 11417을 더 유망한 후보로 제시했다. 이 별 역시 루비듐의 높은 함량을 보여주는데, 이는 TŻO 모델과 일치하는 특징이다.

TŻO의 탐색은 여전히 계속되고 있다. 이러한 오브젝트는 매우 드물고, 그 특징도 미묘하기 때문에, 정확한 스펙트럼 분석과 장기적인 관측이 필요하다. 이론가들은 은하수에 20~200개의 TŻO가 있을 수 있다고 추정하지만, 확실하게 확인된 것은 하나도 없다.

TŻO의 최후는?

TŻO의 수명은 상대적으로 짧다. 약 10만 년에서 100만 년 정도이다. 이 기간 동안 중성자별은 적색초거성에서 물질을 계속 섭취한다. 결국 별의 외부층은 별풍이나 중성자별의 중력 영향으로 잃어버릴 수 있다. 이 일이 일어나면, 남아 있는 물질은 중성자별 주위에 거대한 흡착 원반을 형성할 수 있다. 이 원반은 다시 붕괴되어 새로운 별로 태어나, 중성자별의 동반자가 될 수 있다. 또는 중성자별은 충분한 질량을 섭취하여 블랙홀로 붕괴할 수도 있다.

TŻO의 종말이 이야기의 끝이 아니듯이, 이러한 하이브리드 안에서 일어나는 과정은 이례적인 화학적 성분이나 중력파 형태로 흔적을 남길 수 있다. 실제로 TŻO를 확정적으로 확인하는 유일한 방법은 다중 메신저 탐지(multi-messenger detection)이다. 중력파 데이터와 광학 스펙트럼 분석의 조합이 필요하다. LIGO 같은 현재의 탐지기들은 중성자별 코어에서 지속적인 중력파 신호를 포착할 수 있으며, 망원경은 별의 화학적 지문을 분석할 수 있다.

여전히 알지 못하는 것들

수십 년에 걸친 이론적 연구와 몇 가지 매혹적인 후보에도 불구하고, 여전히 우리는 TŻO가 존재하는지 확신할 수 없다. 증거는 여전히 간접적이다. 우리는 이러한 오브젝트가 얼마나 자주 형성되는지, 정확한 내부 구조가 무엇인지 알지 못한다. 중성자별이 안정적으로 물질을 섭취하는지, 아니면 폭발적으로 섭취하는지, 표면에서 일어나는 핵융합 과정이 일반 별과 어떻게 다른지도 알지 못한다. 그리고 TŻO의 최종 운명이 블랙홀이 되는지, 원반을 가진 펄서가 되는지, 아니면 완전히 다른 무언가가 되는지도 모른다.

우리가 확실히 아는 것은, 만약 TŻO가 존재한다면, 별이 어떻게 진화하고 우주에서 원소가 어떻게 생성되는지에 대한 우리의 이해를 도전할 것이라는 점이다. 이는 우주가 놀라움으로 가득 차 있음을 상기시켜 주며, 가장 흥미로운 것은 우리가 예상하지 못한 것들이라는 사실을 상기시켜 준다.

Красная сверхгигантская звезда, светящаяся жаром умирающего гиганта, на самом деле может быть космическим сэндвичем — живой звездой, обернутой вокруг мертвой нейтронной звезды. Это объекты Торна–Żыткова, причудливые гибриды, предсказанные в 1977 году и до сих пор ищущиеся во Вселенной.

В 1970-х годах два физика — Kip Thorne и Anna Żytkow — представили себе особую разновидность звезды, которая нарушает обычные законы эволюции звезд. Они предположили, что если нейтронная звезда — сверхплотный остаток supernova supernova — окажется в центре красного сверхгиганта, эти два объекта могут объединиться в один нестабильный гибрид. Нейтронная звезда не разрушит гигант, а станет своего рода ядром, питающимся внешними слоями звезды, в то время как сама звезда продолжает светиться. Это стало первой теоретической моделью объекта Торна–Житкова, или TŻO.

Образование такого объекта начинается в двойной системе. Одна звезда, как правило, более массивная, взрывается в виде supernova supernova, оставляя после себя нейтронную звезду. Вторая звезда, теперь оставшаяся одна, продолжает эволюционировать. Со временем она превращается в красного сверхгиганта, внешние слои которого расширяются до тех пор, пока не поглотят нейтронную звезду. Нейтронная звезда, плотная и компактная, начнет вращаться внутрь через конвективные слои звезды, медленно опускаясь к ядру. Этот процесс может занять несколько сотен лет, но как только два объекта объединятся, результатом станет звезда с обычной внешней оболочкой, но с нейтронной звездой в центре.

То, что делает TŻO таким странным, — это способ его поведения. Нейтронная звезда в ядре невероятно горяча — температура может превышать миллиард градусов по Кельвину. Когда вещество красного сверхгиганта падает на нейтронную звезду, оно запускает необычные ядерные реакции на ее поверхности. Эти реакции производят элементы, такие как литий, молибден и рубидий, в таких количествах, которые необычны для обычных звезд. В результате получается звезда, которая снаружи выглядит как красный сверхгигант, но имеет химический «отпечаток пальца», отличающийся — указание на то, что внутри происходит что-то необычное.

Поиск ТŻО

Первый потенциальный TŻO был обнаружен в 2014 году. Звезда под названием HV 2112, расположенная в Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud, показала необычные концентрации элементов, таких как литий, рубидий и молибден. Это были именно те химические признаки, которые Kip Thorne и Анна Житков предсказали. Звезда также была необычайно яркой, что можно было объяснить дополнительной энергией, генерируемой нейтронным ядром. На некоторое время ее признали первой подтвержденной ТŻО.

Но это утверждение не было без споров. В 2018 году команда под руководством Эммы Биасор заново изучила данные и обнаружила, что многие из предполагаемых аномалий не были такими четкими, как изначально предполагалось. Они предположили, что повышенное содержание лития в HV 2112 может быть результатом других процессов, а его яркость не была такой экстремальной, как утверждалось. Вместо этого они предложили другую звезду, HV 11417, в качестве более перспективного кандидата. Эта звезда также показала высокую концентрацию рубидия, что согласуется с моделью ТŻО.

Поиск ТŻО продолжается. Поскольку эти объекты настолько редки, а их признаки незаметны, их идентификация требует точного спектрального анализа и долгосрочного наблюдения. Теоретики оценивают, что в Млечном Пути может быть от 20 до 200 ТŻО, но ни один из них не был подтвержден с уверенностью.

Что происходит с ТŻО?

Продолжительность жизни ТŻО относительно мала — около 100 000 до миллиона лет. В течение этого времени нейтронная звезда продолжает аккрецию вещества с красного сверхгиганта. В конечном итоге внешние слои звезды могут быть утрачены, либо через звездные ветры, либо через гравитационное влияние нейтронной звезды. Когда это произойдет, оставшееся вещество может сформировать массивный аккреционный диск вокруг нейтронной звезды. Этот диск, в свою очередь, может схлопнуться, образуя новую звезду, которая станет спутником нейтронной звезды. В качестве альтернативы, нейтронная звезда может аккреировать достаточное количество массы, чтобы превратиться в черную дыру.

Конец ТŻО не является концом истории. Процессы, происходящие внутри этих гибридов, могут оставить за собой следы в виде необычных химических составов или гравитационных волн. Фактически, единственным способом подтвердить существование ТŻО является многосигнальное обнаружение — сочетание данных о гравитационных волнах и оптической спектроскопии. Современные детекторы вроде LIGO могут обнаруживать непрерывные сигналы гравитационных волн от нейтронного ядра, в то время как телескопы могут анализировать химический «отпечаток пальца» звезды.

То, чего мы все еще не знаем

Несмотря на десятилетия теоретических исследований и несколько обнадеживающих кандидатов, мы до сих пор не знаем точно, существуют ли ТŻО. Доказательства остаются косвенными. Мы не знаем, как часто образуются эти объекты, и каков их точный внутренний строение. Мы не знаем, аккрецирует ли нейтронная звезда вещество постоянно или всплесками, и как процессы синтеза на ее поверхности отличаются от процессов в обычных звездах. И мы не знаем, какова окончательная судьба ТŻО — станет ли она черной дырой, пульсаром с диском или чем-то совсем другим.

То, что мы знаем, — это то, что если ТŻО существуют, они ставят под сомнение наше понимание того, как эволюционируют звезды, и как создаются элементы во Вселенной. Это напоминание о том, что Вселенная полна сюрпризов — и что самые интересные вещи часто оказываются теми, которых мы не ожидали.

एक लाल शुतुरमुज़ा तारा, जो मृत शेर के ताप से चमक रहा है, वास्तव में एक ब्रह्मांडीय सैंडविच हो सकता है - एक जीवित तारे में मृत न्यूट्रॉन तारा लपेटा हुआ। ये थॉर्न-ज़िट्को वस्तुएँ हैं, 1977 में भविष्यवाणी किए गए अजीबो-गरीब मिश्रित रूप।

1970 के दशक में, दो भौतिक विज्ञानी — Kip Thorne और Anna Żytkow — एक ऐसे तारे की कल्पना करने लगे, जो तारा विकास के सामान्य नियमों के खिलाफ था। उन्होंने प्रस्तावित किया कि यदि एक न्यूट्रॉन तारा, जो एक supernova supernova का अत्यधिक घना अवशेष होता है, लाल अति विशाल तारे के हृदय में गिर जाए, तो दोनों एक अस्थायी हाइब्रिड में विलय हो सकते हैं। न्यूट्रॉन तारा विशाल तारे को नहीं ढांपेगा, बल्कि इसे एक प्रकार का कोर बनाएगा, जो अपनी बाहरी परतों पर खाएगा, जबकि तारा चमकता रहेगा। यह थॉर्न-ज़िट्को वस्तु, या TŻO का पहला सैद्धांतिक मॉडल था।

इस प्रकार की वस्तु का निर्माण द्वितारकीय प्रणाली में शुरू होगा। एक तारा, आमतौर पर अधिक द्रव्यमान वाला, एक supernova supernova के रूप में विस्फोटित हो जाता है, जिसके बाद न्यूट्रॉन तारा बचा रहता है। दूसरा तारा, अब अकेला, आगे विकसित होता है। अंततः, यह एक लाल अति विशाल तारा में फैल जाता है, जिसकी बाहरी परतें न्यूट्रॉन तारे को घेर लेती हैं। न्यूट्रॉन तारा, घने और संकुचित, फिर तारे की संवहनीय परतों के माध्यम से आंतरिक कोर की ओर घूमते हुए धीरे-धीरे गिरता है। यह प्रक्रिया सैकड़ों वर्ष ले सकती है, लेकिन जब दोनों विलय हो जाते हैं, तो परिणाम एक तारा होता है, जिसकी सतह सामान्य है लेकिन इसके हृदय में एक न्यूट्रॉन तारा होता है।

एक TŻO को इतना अजीब बनाता है वह तरीका है, जिसमें यह व्यवहार करता है। कोर में न्यूट्रॉन तारा अत्यधिक गर्म होता है — तापमान एक अरब डिग्री केल्विन से अधिक हो सकता है। जब लाल अति विशाल तारे की सामग्री न्यूट्रॉन तारे पर गिरती है, तो इसकी सतह पर असामान्य परमाणु अभिक्रियाएं शुरू हो जाती हैं। ये अभिक्रियाएं लिथियम, मोलिब्डेनम और रूबिडियम जैसे तत्वों का उत्पादन करती हैं, जो सामान्य तारों में आम नहीं होते हैं। परिणाम एक तारा होता है, जो बाहर से एक लाल अति विशाल तारा जैसा दिखता है, लेकिन रासायनिक छाप असामान्य होती है — जो अंदर कुछ अजीब हो रहा है इसका संकेत होता है।

TŻOs की खोज

2014 में पहला संभावित TŻO पहचाना गया। एक तारा, जिसका नाम HV 2112 है, जो Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud में स्थित है, लिथियम, रूबिडियम और मोलिब्डेनम जैसे तत्वों की असामान्य प्रचुरता दिखाता है। ये ठीक वह रासायनिक चिह्न हैं, जिन्हें Kip Thorne और एना ज़िट्को ने भविष्यवाणी की थी। तारा असामान्य रूप से चमकदार भी था, जिसे न्यूट्रॉन तारे के कोर द्वारा उत्पन्न अतिरिक्त ऊर्जा के कारण समझाया जा सकता है। कुछ समय के लिए, इसे पहला पुष्टि किया गया TŻO माना गया।

लेकिन दावा बिना विवाद के नहीं था। 2018 में, एमा बीसर द्वारा नेतृत्व वाली एक टीम ने डेटा की पुनर्जांच की और पाया कि कई कथित असामान्यताएं पहले के विचार से उतनी स्पष्ट नहीं थीं। उन्होंने सुझाव दिया कि HV 2112 की लिथियम समृद्धि अन्य प्रक्रियाओं के कारण हो सकती है, और इसकी चमक दावे की तुलना में उतनी अत्यधिक नहीं है। इसके बजाय, उन्होंने एक अन्य तारा, HV 11417, को एक अधिक उत्साहजनक उम्मीदवार के रूप में प्रस्तावित किया। यह तारा रूबिडियम की उच्च प्रचुरता भी दिखाता है, जो TŻO मॉडलों के साथ संगत है।

TŻOs की खोज जारी है। चूंकि ये वस्तुएं इतनी दुर्लभ हैं और उनके चिह्न धीमे हैं, इनकी पहचान करने के लिए सटीक स्पेक्ट्रोस्कोपिक विश्लेषण और लंबी अवधि की निगरानी की आवश्यकता है। सैद्धांतिक विश्लेषकों का अनुमान है कि कदम-कदम से दुग्धमार्ग में 20 से 200 TŻOs हो सकते हैं, लेकिन इनमें से कोई भी अब तक तर्कसंगत संदेह के बिना पुष्टि नहीं हुआ है।

TŻO के साथ क्या होता है?

TŻO की आयु तुलनात्मक रूप से छोटी होती है — लगभग 1 लाख से 10 लाख वर्ष। इस समय के दौरान, न्यूट्रॉन तारा लाल अति विशाल तारे से सामग्री अभिग्रहण करता रहता है। अंततः, तारे की बाहरी परतें या तो तारकीय हवाओं के माध्यम से या न्यूट्रॉन तारे के गुरुत्वाकर्षण प्रभाव के माध्यम से खो जा सकती हैं। जब ऐसा होता है, तो शेष सामग्री न्यूट्रॉन तारे के चारों ओर एक भारी अभिग्रहण डिस्क बना सकती है। यह डिस्क फिर नए तारे में ढल सकती है, जो न्यूट्रॉन तारे का साथी बन जाता है। वैकल्पिक रूप से, न्यूट्रॉन तारा अपने द्रव्यमान के बराबर बहुत अधिक द्रव्यमान अभिग्रहण करके एक कृष्ण छिद्र में ढल सकता है।

TŻO के अंत अंत की कहानी नहीं होता है। इन हाइब्रिड्स के अंदर होने वाली प्रक्रियाएं असामान्य रासायनिक संरचनाओं या गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में संकेत छोड़ सकती हैं। वास्तव में, TŻO की निश्चित पुष्टि करने का एकमात्र तरीका बहु-संदेश निर्धारण है — गुरुत्वाकर्षण तरंग डेटा और प्रकाशीय स्पेक्ट्रोस्कोपी के संयोजन के माध्यम से। वर्तमान डिटेक्टर, जैसे LIGO, न्यूट्रॉन तारे के कोर से निरंतर गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेतों को पकड़ सकते हैं, जबकि दूरबीनें तारे की रासायनिक छाप का विश्लेषण कर सकती हैं।

हम क्या अभी भी नहीं जानते

दशकों तक सैद्धांतिक कार्य और कुछ आकर्षक उम्मीदवारों के बावजूद, हमें अभी तक यह निश्चित रूप से नहीं पता है कि TŻOs मौजूद हैं। सबूत अभी भी संदिग्ध है। हमें यह पता नहीं है कि ये वस्तुएं कितनी बार बनती हैं, या उनकी आंतरिक संरचना कैसी है। हमें यह पता नहीं है कि कोर में न्यूट्रॉन तारा धीरे-धीरे अभिग्रहण कर रहा है या धमाकों में, या इसकी सतह पर संलयन प्रक्रियाएं सामान्य तारों में होने वाली प्रक्रियाओं से कैसे अलग हैं। और हमें यह पता नहीं है कि TŻO का अंतिम भाग्य क्या है — क्या यह एक कृष्ण छिद्र, एक पल्सर के साथ एक डिस्क, या बिल्कुल कुछ अन्य चीज़ बन जाता है।

हम जानते हैं कि यदि TŻOs मौजूद हैं, तो वे हमारी तारा विकास और विश्व में तत्वों के निर्माण की समझ को चुनौती देते हैं। ये याद दिलाते हैं कि ब्रह्मांड अजीब चीजों से भरा हुआ है — और कि सबसे दिलचस्प चीजें अक्सर वे होती हैं जिनकी हमने उम्मीद नहीं की।

Sebuah bintang raksasa merah yang bercahaya dengan panasnya raksasa yang sedang mati, mungkin sebenarnya adalah sebuah sandwich kosmik — bintang hidup yang membungkus bintang neutron mati. Mereka disebut objek Thorne–Żytkow, hibrida aneh yang diprediksi pada tahun 1977 dan masih dicari di alam semesta.

Pada tahun 1970-an, dua fisikawan — Kip Thorne dan Anna Żytkow — membayangkan jenis bintang yang melanggar aturan evolusi bintang biasa. Mereka mengusulkan bahwa jika sebuah bintang neutron, sisa ultra-padat dari sebuah supernova supernova, jatuh ke inti sebuah raksasa merah, keduanya mungkin bergabung menjadi satu entitas yang tidak stabil. Bintang neutron tidak akan membuat raksasa itu runtuh, melainkan menjadi inti, memakan lapisan luarnya sambil bintang itu tetap bersinar. Ini adalah model teoretis pertama dari sebuah objek Thorne–Żytkow, atau TŻO.

Pembentukan objek semacam ini dimulai dalam sistem biner. Satu bintang, biasanya yang lebih masif, meledak sebagai supernova supernova, meninggalkan sisa berupa bintang neutron. Bintang kedua, sekarang sendirian, terus berevolusi. Akhirnya, bintang itu membengkak menjadi raksasa merah, lapisan luarnya mengembang hingga menelan bintang neutron. Bintang neutron, yang padat dan kompak, kemudian berputar masuk melalui lapisan konvektif bintang, perlahan jatuh ke arah intinya. Proses ini bisa memakan waktu ratusan tahun, tetapi setelah keduanya bergabung, hasilnya adalah bintang dengan permukaan biasa tetapi memiliki bintang neutron di intinya.

Apa yang membuat TŻO begitu aneh adalah cara ia berperilaku. Bintang neutron di inti sangat panas — suhu bisa melebihi satu miliar derajat Kelvin. Saat materi dari raksasa merah jatuh ke bintang neutron, reaksi nuklir yang tidak biasa terpicu di permukaannya. Reaksi ini menghasilkan unsur seperti litium, molibdenum, dan rubidium dengan cara yang tidak biasa ditemukan pada bintang-bintang normal. Hasilnya adalah bintang yang terlihat seperti raksasa merah dari luar tetapi memiliki tanda kimia yang tidak biasa — petunjuk bahwa sesuatu yang aneh terjadi di dalamnya.

Pencarian TŻO

Kandidat pertama TŻO diidentifikasi pada tahun 2014. Sebuah bintang bernama HV 2112, yang terletak di Small Magellanic Cloud Small Magellanic Cloud, menunjukkan kelimpahan yang tidak biasa dari unsur seperti litium, rubidium, dan molibdenum. Ini persis tanda kimia yang diprediksi oleh Kip Thorne dan Anna Żytkow. Bintang itu juga sangat terang, yang bisa dijelaskan oleh energi tambahan yang dihasilkan oleh inti bintang neutron. Sejenak, bintang ini dianggap sebagai TŻO pertama yang dikonfirmasi.

Namun klaim ini tidak bebas kontroversi. Pada tahun 2018, sebuah tim yang dipimpin oleh Emma Beasor meninjau ulang data dan menemukan bahwa banyak anomali yang dianggap aneh ternyata tidak jelas seperti yang sebelumnya dipikirkan. Mereka mengusulkan bahwa peningkatan litium pada HV 2112 mungkin disebabkan oleh proses lain, dan tingkat kecerahannya tidak seekstrem yang ditudingkan. Sebaliknya, mereka mengusulkan bintang lain, yaitu HV 11417, sebagai kandidat yang lebih menjanjikan. Bintang ini juga menunjukkan kelimpahan rubidium yang tinggi, ciri yang konsisten dengan model TŻO.

Pencarian TŻO masih berlangsung. Karena objek-objek ini sangat langka dan tanda-tandanya samar, mengidentifikasinya memerlukan analisis spektroskopis yang presisi dan pemantauan jangka panjang. Para teoretis memperkirakan bahwa mungkin ada antara 20 hingga 200 TŻO di Galaksi Bima Sakti, tetapi belum ada yang dikonfirmasi secara pasti.

Apa yang terjadi pada TŻO?

Umur TŻO relatif singkat — sekitar 100.000 hingga satu juta tahun. Saat itu, bintang neutron terus mengakresi materi dari raksasa merah. Pada akhirnya, lapisan luar bintang mungkin hilang, baik melalui angin bintang atau pengaruh gravitasi bintang neutron. Saat hal ini terjadi, materi yang tersisa bisa membentuk cakram akrasi masif di sekitar bintang neutron. Cakram ini mungkin runtuh dan membentuk bintang baru, menjadi bintang pendamping bintang neutron. Atau, bintang neutron mungkin mengakresi cukup materi hingga runtuh menjadi lubang hitam.

Akhir dari TŻO bukanlah akhir dari kisahnya. Proses yang terjadi di dalam hibrida ini bisa meninggalkan tanda berupa komposisi kimia yang tidak biasa atau gelombang gravitasi. Faktanya, satu-satunya cara mengonfirmasi TŻO secara pasti adalah melalui deteksi multi-peserta — kombinasi data gelombang gravitasi dan spektroskopi optik. Detektor seperti LIGO mungkin bisa menangkap sinyal gelombang gravitasi kontinu dari inti bintang neutron, sementara teleskop bisa menganalisis sidik jari kimia bintang tersebut.

Apa yang masih kita tidak tahu

Meskipun puluhan tahun kerja teoretis dan beberapa kandidat menarik, kita masih belum tahu secara pasti apakah TŻO benar-benar ada. Bukti tetap bersifat tidak langsung. Kita tidak tahu seberapa sering objek ini terbentuk, atau bagaimana struktur internalnya tepatnya. Kita tidak tahu apakah bintang neutron di inti mengakresi secara terus-menerus atau dalam ledakan-ledakan, atau bagaimana proses fusi di permukaannya berbeda dari bintang normal. Dan kita tidak tahu apa nasib akhir TŻO — apakah menjadi lubang hitam, pulsar dengan cakram, atau sesuatu yang sama sekali berbeda.

Apa yang kita tahu adalah bahwa jika TŻO ada, mereka menantang pemahaman kita tentang cara bintang berevolusi dan bagaimana unsur-unsur terbentuk di alam semesta. Mereka mengingatkan kita bahwa alam semesta penuh kejutan — dan bahwa hal-hal yang paling menarik seringkali adalah yang tidak kita harapkan.

Thorne–Żytkow Objects