Астрономы обнаружили звезду, которая медленно поглощает коричневого карлика
Обнаружена звезда, которая неторопливо поглощает своего спутника — коричневого карлика, то есть планетоподобный объект, который массивнее планеты, но не настолько велик, как звезда.
Об открытии сообщают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.
Как и Земля, большинство планетных тел вращаются вокруг своей звезды по стабильным, удаленным орбитам. Эти гармоничные системы могут внезапно измениться, и планета слишком приблизится к своей звезде. Во время близкой встречи звезда может притянуть планету к себе и проглотить её целиком.
По всей галактике астрономы обнаружили множество стабильных, изолированных планетных систем. Они также наблюдали несколько случаев, когда звёзды быстро поглощали свои планеты. Теперь, впервые, ученые обнаружили систему, находящуюся в странном равновесном состоянии между этими двумя крайностями. И это раскрывает новый способ взаимодействия звезд со своими планетарными спутниками.
В статье, опубликованной 5 октября в журнале «Nature Astronomy», ученые из MIT и других научных учреждений сообщили об обнаружении звезды, которая неторопливо поглощает вращающегося на близкой орбите коричневого карлика — планетоподобный объект, который массивнее планеты, но не настолько велик, как звезда.
Новая система, названная ZTF J0440+2325, расположена в нашей галактике Млечный Путь, примерно в 300 световых лет от Земли, и является первым случаем наблюдения объекта с малой массой, который медленно и неуклонно поглощает вещество из другого объекта с малой массой.
Скорость, с которой звезда питается коричневым карликом, свидетельствует о том, что этот медленный звездный каннибализм может длиться сотни тысяч, а то и миллиарды лет.
«Когда мы представляем себе взаимодействие звёзд с планетами или коричневыми карликами, всегда возникает картина, при которой звезда в конечном итоге поглощает другой объект», — говорит Кевин Бердж, доцент кафедры физики в MIT. «Именно это произойдёт с Землёй, когда Солнце превратится в красного гиганта. Но здесь мы обнаружили альтернативный вариант: вместо того, чтобы поглотить объект, звезда может постепенно съедать его в течение миллиардов лет».
«Странный треугольник»
Новую систему первоначально обнаружила Установка Цвики по обнаружению транзиентов (ZTF). ZTF использует камеру, установленную на телескопе в обсерватории Паломар в Калифорнии, для сканирования неба с целью обнаружения быстрых изменений яркости, которые могут свидетельствовать о наличии сверхновой, гамма-вспышки или столкновения нейтронных звёзд.
Несколько лет назад Бердж просматривал данные ZTF, когда заметил странную кривую яркости, то есть характер изменения яркости. Кривые яркости сверхновых напоминают колоколообразную кривую, что свидетельствует о постепенном усилении, а затем затухании звезды во время взрыва. Но то, что заметил Бердж, больше напоминало треугольник, который появлялся не один раз, а снова и снова.
«Помню, как впервые посмотрел на это и подумал: звезды не создают таких треугольных волновых форм», — вспоминает он.
В то время он и его коллеги сосредоточились на другом сигнале, который они идентифицировали как «двойную систему с чёрной вдовой» — систему, в которой чрезвычайно плотная, вращающаяся нейтронная звезда медленно поглощает гораздо меньшую спутниковую звезду, подобно тому, как её паукообразный тезка играет со своей добычей.
Бердж задумался, не может ли треугольный сигнал также исходить от «черной вдовы». Но свет от сигнала вызвал удивление. В двойных системах типа «черная вдова» свет как будто дрожит из-за того, что очень легкий объект с малой массой, например, маленькая звезда-компаньон, вращается вокруг гораздо более тяжелого объекта, такого как нейтронная звезда.
«Мы не видели здесь такого колебания туда-сюда, — говорит Бердж. — Это не имело никакого смысла. Мы не могли объяснить, что это такое».
Но у них появилось предположение: а не мог ли сигнал исходить не от неустойчивой системы типа «Давида и Голиафа», а от более сбалансированной пары объектов, каждый из которых имеет примерно одинаковую небольшую массу?
«Если общая масса системы меньше, объекты могут плавно вращаться друг вокруг друга без резких колебаний туда-сюда, — говорит Бердж. — Вот в чём заключалась идея. Но у нас никогда не было никаких доказательств. И этот странный треугольник просто оставался без внимания годами».
Медленный и стабильный огненный шар
Недавно Бердж и Хаузхолдер, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (MIT), решили вернуться к разгадке тайны «треугольника». На основе исходного сигнала ZTF они определили, что источник сигнала расположен в пределах нашей галактики, примерно в 300 световых лет от Земли. Они направили несколько телескопов на этот источник, получивший название ZTF J0440+2325. По результатам этих наблюдений исследователи измерили различные свойства источника, в частности его колебания. По сравнению с «чёрными вдовами» и другими подобными двойными системами колебания ZTF J0440+2325 были гораздо меньше — но не незначительными.
«Именно это и стало решающим аргументом в пользу этой системы, — говорит Хаузхолдер. — Когда мы измерили это колебание, то обнаружили, что перед нами не «черная вдова». Это была звезда с малой массой, вокруг которой вращается коричневый карлик. Амплитуда колебания была слишком малой, чтобы это могло быть чем-то другим».
Они установили, что звезда и коричневый карлик находятся чрезвычайно близко друг к другу: коричневый карлик вращается вокруг звезды каждые 87 минут по орбите, которая могла бы поместиться в пределах диаметра Солнца. Оба объекта невелики по звездным меркам. Масса звезды примерно в 85 раз превышает массу Юпитера, тогда как масса коричневого карлика — примерно в 25 раз.
Поскольку два объекта с малой массой вращаются на таком близком расстоянии, ученые задались вопросом, не может ли один объект вытягивать вещество из другого. Такой процесс, известный как аккреция, чаще всего наблюдается вокруг объектов, обладающих чрезвычайно большой массой, хотя и небольших по фактическим размерам, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Когда чёрная дыра аккрецирует, то есть забирает вещество из гораздо меньшего соседнего объекта, она притягивает материю вокруг себя, образуя диск.
«Разница здесь заключается в том, что объектом, поглощающим вещество, является не крошечная чёрная дыра, а звезда, имеющая относительно большие размеры», — объясняет Бердж. — Поэтому вещество просто ударяется непосредственно о поверхность с очень высокой скоростью, словно астероид, врезающийся в Луну».
Команда провела моделирование возможной аккреции в системе ZTF J0440+2325. Учитывая свойства звезды и коричневого карлика, они смоделировали частицы вещества на поверхности коричневого карлика и то, как эти частицы должны вести себя в системе с течением времени, в соответствии с законами физики и уравнениями движения.
«Когда мы отслеживаем эти тестовые частицы, мы видим, что они действительно падают прямо на поверхность звезды», — говорит Хаузхолдер. — Это первый случай, когда мы зафиксировали, как звезда с малой массой активно аккрецирует материю с другого объекта с малой массой».
Более того, команда подсчитала, что коричневый карлик должен передавать материю своей звезде со скоростью примерно 1/100 000 массы Земли ежегодно. Это примерно 40 миллионов самосвалов с материалом каждую секунду. Хотя это может показаться большой потерей вещества, на самом деле это очень малая доля коричневого карлика. По оценкам исследователей, такая скорость на самом деле довольно медленная и стабильная. Учитывая размеры системы, они утверждают, что звезда может спокойно «перекусывать» коричневым карликом ещё миллиарды лет.
Эта медленная аккреция, по их словам, будет напоминать равномерный поток вещества от коричневого карлика к звезде. Исследователи поняли, что если бы они наблюдали за системой издалека, её яркость образовывала бы на графике треугольник, поскольку коричневый карлик вместе с потоком вещества вращается вокруг своей звезды.
«Это словно непрерывный огненный шар, падающий на один из объектов; когда один из объектов вращается вокруг другого, эта горячая точка то появляется, то исчезает из поля зрения, а пик сигнала в форме треугольника приходится на тот момент, когда вы смотрите прямо на огненный шар», — объясняет Бердж.
Раскрыв тайну треугольной кривой яркости, команда надеется обнаружить подобные системы с медленным поступлением вещества, расположенные недалеко от нас.
«Это вдохновляет нас на множество новых поисков», — говорит Хаусхолдер. — Я думаю, мы узнаем много нового о другом типе взаимодействия планет и коричневых карликов со своими материнскими звездами».
Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом США. Помимо MIT, в исследовании принимали участие учёные из Калифорнийского технологического института, Гавайского университета, Института астрофизики Канарских островов и Университета Ла-Лагуна в Испании, а также Гарвард-Смитсоновского Центра астрофизики.