Астрономи виявили зорю, яка повільно поїдає коричневого карлика

Виявлено зорю, яка неквапливо поїдає свого компаньйона, коричневого карлика — планетоподібний об’єкт, який масивніший за планету, але не настільки великий, як зоря.

Про відкриття повідомляють в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Як і Земля, більшість планетних тіл обертаються навколо своєї зорі по стабільних, віддалених орбітах. Ці гармонійні системи можуть раптово змінитися й планета занадто наблизиться до своєї зорі. Під час близької зустрічі зоря може притягнути планету до себе та проковтнути її цілком.

По всій галактиці астрономи виявили безліч стабільних, відокремлених планетних систем. Вони також спостерігали кілька випадків, коли зорі швидко поглинали свої планети. Тепер, вперше, вчені виявили систему, яка перебуває в дивному рівноважному стані між цими двома крайнощами. І це розкриває новий спосіб взаємодії зірок зі своїми планетарними компаньйонами.

У статті, опублікованій 5 жовтня в журналі «Nature Astronomy», вчені з MIT та інших наукових установ повідомили про виявлення зорі, яка неквапливо поїдає коричневого карлика, що обертається на близькій орбіті — планетоподібний об’єкт, який масивніший за планету, але не настільки великий, як зоря.

Нова система, названа ZTF J0440+2325, розташована в нашій галактиці Чумацький Шлях, приблизно за 300 світлових років від Землі, та є першим випадком спостереження об’єкта з малою масою, який повільно й неухильно поглинає речовину з іншого об’єкта з малою масою.

Швидкість, з якою зоря живиться коричневим карликом, свідчить про те, що цей повільний зоряний канібалізм може тривати сотні тисяч, а то й мільярди років.

«Коли ми уявляємо собі взаємодію зірок з планетами чи коричневими карликами, завжди виникає картина, за якою зоря зрештою поглинає інший об’єкт», — каже Кевін Бердж, доцент кафедри фізики в MIT. «Саме це станеться із Землею, коли Сонце перетвориться на червоного гіганта. Але тут ми виявили альтернативний варіант: замість того, щоб поглинути об’єкт, зоря може поступово з’їдати його протягом мільярдів років».

«Дивний трикутник»

Нову систему спочатку виявила Установка Цвікі з виявлення транзієнтів (ZTF). ZTF використовує камеру, встановлену на телескопі в обсерваторії Паломар у Каліфорнії, для сканування неба з метою виявлення швидких змін яскравості, які можуть свідчити про наявність наднової, гамма-спалаху або зіткнення нейтронних зірок.

Кілька років тому Бердж переглядав дані ZTF, коли помітив дивну криву яскравості, тобто характер зміни яскравості. Криві яскравості наднових нагадують дзвоноподібну криву, що свідчить про поступове посилення, а потім згасання зорі під час вибуху. Але те, що помітив Бердж, більше нагадувало трикутник, який з’являвся не один раз, а знову та знову.

«Пам’ятаю, як вперше подивився на це й подумав: зорі не створюють таких трикутних хвильових форм», — згадує він.

На той час він та його колеги зосередилися на іншому сигналі, який вони ідентифікували як «подвійну систему з чорною вдовою» — систему, в якій надзвичайно щільна, обертова нейтронна зоря повільно поглинає набагато меншу супутню зорю, подібно до того, як її павукоподібна тезка грається зі своєю здобиччю.

Бердж замислився, чи не може трикутний сигнал також походити від «чорної вдови». Але світло від сигналу викликало здивування. У подвійних системах типу «чорна вдова» світло ніби дрижить у результаті того, що дуже легкий об’єкт з малою масою, наприклад, маленька зоря-компаньйон, обертається навколо набагато важчого об’єкта, такого як нейтронна зоря.

«Ми не бачили тут такого хитання туди-сюди, — каже Бердж. — Це не мало жодного сенсу. Ми не могли пояснити, що це таке».

Але у них з’явилося припущення: чи міг сигнал надходити не від хиткої системи на кшталт «Давида й Голіафа», а від більш збалансованої пари об’єктів, кожен з яких має приблизно однакову малу масу?

«Якщо загальна маса системи менша, об’єкти можуть плавно обертатися один навколо одного без різких коливань туди-сюди, — каже Бердж. — Ось у чому полягала ідея. Але у нас ніколи не було жодних доказів. І цей дивний трикутник просто залишався без уваги роками».

Повільна й стабільна вогняна куля

Нещодавно Бердж та Хаузхолдер, аспірант кафедри наук про Землю, атмосферу та планети MIT, вирішили повернутися до розгадки таємниці «трикутника». На основі вихідного сигналу ZTF вони визначили, що джерело сигналу розташоване в межах нашої галактики, приблизно за 300 світлових років від Землі. Вони націлили кілька телескопів на це джерело, яке отримало назву ZTF J0440+2325. За результатами цих спостережень дослідники виміряли різні властивості джерела, зокрема його коливання. Порівняно з «чорними вдовами» та іншими подібними подвійними системами, коливання ZTF J0440+2325 було набагато меншим — але не незначним.

«Це й стало вирішальним аргументом на користь цієї системи, — каже Хаузхолдер. — Коли ми виміряли це коливання, то виявили, що перед нами не «чорна вдова». Це була зоря з малою масою, навколо якої обертається коричневий карлик. Амплітуда коливання була занадто малою, щоб це могло бути чимось іншим».

Вони встановили, що зоря та коричневий карлик знаходяться надзвичайно близько один до одного: коричневий карлик обертається навколо зорі кожні 87 хвилин по орбіті, яка могла б поміститися в межах діаметра Сонця. Обидва об’єкти є невеликими за зоряними мірками. Маса зорі приблизно в 85 разів перевищує масу Юпітера, тоді як маса коричневого карлика — приблизно у 25 разів.

Оскільки два об’єкти з малою масою обертаються на такій близькій відстані, вчені замислилися, чи не може один об’єкт витягувати речовину з іншого. Такий процес, відомий як акреція, найчастіше спостерігається навколо об’єктів, що мають надзвичайно велику масу, хоча й невеликі за фактичними розмірами, таких як чорні діри та нейтронні зорі. Коли чорна діра акреціює, тобто забирає речовину з набагато меншого сусіднього об’єкта, вона притягує матерію навколо себе, утворюючи диск.

«Різниця тут полягає в тому, що об’єктом, який поглинає речовину, є не крихітна чорна діра, а зоря, яка має відносно великі розміри», — пояснює Бердж. — Тому речовина просто вдаряється безпосередньо об поверхню з дуже високою швидкістю, наче астероїд, що врізається в Місяць».

Команда провела моделювання можливої акреції в системі ZTF J0440+2325. Враховуючи властивості зорі та коричневого карлика, вони змоделювали частинки речовини на поверхні коричневого карлика та те, як ці частинки повинні поводитися в системі з плином часу, відповідно до законів фізики та рівнянь руху.

«Коли ми відстежуємо ці тестові частинки, ми бачимо, що вони дійсно падають прямо на поверхню зорі», — каже Хаузхолдер. — Це перший випадок, коли ми зафіксували, як зоря з малою масою активно акреціює матерію з іншого об’єкта з малою масою».

Щобільше, команда підрахувала, що коричневий карлик повинен передавати матерію своїй зорі зі швидкістю приблизно 1/100 000 маси Землі щороку. Це приблизно 40 мільйонів самоскидів з матеріалом щосекунди. Хоча це може здатися великою втратою речовини, насправді це дуже мала частка коричневого карлика. За оцінками дослідників, така швидкість насправді є досить повільною та стабільною. З огляду на розміри системи, вони стверджують, що зоря може спокійно «перекушувати» коричневим карликом ще мільярди років.

Ця повільна акреція, за їхніми словами, нагадуватиме рівномірний потік речовини від коричневого карлика до зорі. Дослідники зрозуміли, що якби вони спостерігали за системою здалеку, її яскравість утворювала б на графіку трикутник, оскільки коричневий карлик разом з потоком речовини обертається навколо своєї зорі.

«Це ніби безперервна вогняна куля, що падає на один з об’єктів; коли один з об’єктів обертається навколо іншого, ця гаряча точка то з’являється, то зникає з поля зору, а пік сигналу у формі трикутника припадає на той момент, коли ви дивитеся прямо на вогняну кулю», — пояснює Бердж.

Розкривши таємницю трикутної кривої яскравості, команда сподівається виявити подібні системи з повільним надходженням речовини, що знаходяться неподалік від нас.

«Це надихає нас на багато нових пошуків», — каже Хаусхолдер. — Я думаю, ми дізнаємося багато нового про інший тип взаємодії планет і коричневих карликів зі своїми материнськими зорями».

Це дослідження частково фінансувалося Національним науковим фондом США. Окрім MIT, участь у дослідженні брали науковці з Каліфорнійського технологічного інституту, Гавайського університету, Інституту астрофізики Канарських островів та Університету Ла-Лагуна в Іспанії, а також Гарвард-Смітсонівського Центру астрофізики.

• коричневий карлик