Коли наднова - невдала: рідкісна бінарна зоря має на диво круглу орбіту

Астрономи знайшли рідкісну подвійну систему, в якій одна зоря не змогла повністю вибухнути як наднова. Дослідники вважають, що згодом друга зоря теж стане нейтронною зіркою, а потім вони зіллються та вибухнуть як кілонова.

Про це розповідають в Аеронавтичному університеті Ембрі-Ріддл, передають OstanniPodii.com.

Перелопативши гори астрономічних даних, Клариса Павао, студентка кампусу вказаного вишу у Прескотті, штат Аризона, представила свій попередній аналіз. Реакція її наставника була швидкою й написаною великим шрифтом: "Є ОРБІТА!" - написав він.

Саме тоді Павао, випускниця факультету космічної фізики, зрозуміла, що скоро стане частиною чогось великого - статті в журналі Nature, в якій описується рідкісна подвійна зоряна система з незвичайними властивостями.

У статті, опублікованій 1 лютого 2023 року у співавторстві з доктором Ноелем Д. Річардсоном, доцентом кафедри фізики та астрономії в Ембрі-Ріддл, описується подвійна зоряна система, що світиться в рентгенівських променях і має велику масу. Ця подвійна система, що має дивну кругову орбіту - незвичайне явище серед подвійних зірок, - схоже, утворилася при вибуху зірки, або наднової, яка згасла без звичайного баху, подібно до неспрацювання петарди.

Кругла орбіта бінара стала ключовим моментом, який допоміг дослідникам ідентифікувати другу зірку в бінарній системі як виснажену або "ультраобдерту" наднову. Зазвичай після того, як зоря витратить усе своє ядерне паливо, вона колапсує, а потім вибухає у космос як наднова. У цьому ж випадку, за словами Річардсона, "зірка була настільки виснажена, що енергії вибуху не вистачило навіть на те, щоб перевести орбіту в більш типову еліптичну форму, яка спостерігається у подібних подвійних зірок".

Ми - зоряний пил

Назва бінарної системи звучить як номерний знак: CPD-29 2176. За оцінками дослідників, наразі в нашій галактиці існує, ймовірно, всього близько 10 таких зоряних систем. Вивчаючи її, вони розгадують нові підказки про наше найбільш раннє походження, як зоряного пилу.

"Коли ми дивимося на ці об′єкти, ми дивимося назад у часі", - пояснює Павао. "Ми дізнаємося більше про походження Всесвіту, що дозволить нам зрозуміти, куди рухається наша Сонячна система. Як люди, ми починали з тих самих елементів, що й ці зорі".

Річардсон додав, що без бінарних систем, подібних до CPD-29 2176, життя на Землі було б зовсім іншим. "Системи, подібні до цієї, найімовірніше, еволюціонують у бінарні нейтронні зорі, які зрештою зливаються й утворюють важкі елементи, що викидаються у Всесвіт", - зазначив він. "Ці важкі елементи дозволяють нам жити так, як ми живемо. Наприклад, більшість золота було створено зорями, схожими на релікт наднової або нейтронну зірку в бінарній системі, яку ми досліджували. Астрономія поглиблює наше розуміння світу та нашого місця в ньому".

Наполегливість винагороджується

Проєкт розпочався, коли Павао зайшла до офісу Річардсона у надії отримати досвід дослідницької роботи. "Я сказала: Будь ласка, дайте мені будь-яке дослідження". У нього виявилися дані, отримані півтораметровим телескопом Міжамериканської обсерваторії Серро Тололо в Чилі, про яскраву зірку, відому як зірка типу Be. Ця зоря була розташована у тому ж місці неба, що й інша зірка, яка справила великий спалах рентгенівського випромінювання. Цей спалах - можливо, так званий "м′який гамма-повторювач" - привернув увагу астрономів, що спонукало Річардсона та інших запросити дані телескопа.

Павао побудувала спектри Be-зірки, але спочатку їй довелося почистити дані, щоб вони мали менше шуму. "Телескоп дивиться на зірку й приймає все світло, щоб можна було побачити елементи, з яких складається ця зірка, - зазначає вона, - але у Be-зірок є тенденція мати диски матерії навколо себе. Важко побачити прямо крізь усе це".

Наполегливість окупилася: Павао вдалося більше навчитися про обробку даних і комп′ютерне кодування, щоб вона змогла аналізувати зоряні спектри. Вони з Річардсоном знайшли одну просту лінію, яка виходила від зірки й не залежала від диска, що її оточував. Вона вирішила, що її графік - це діаграма розсіювання. Річардсон вважав інакше, що й спонукало його написати електронного листа з великими літерами. Після швидкої підгонки даних Павао в спеціальній комп′ютерній програмі він зрозумів, що вони знайшли орбіту зірки, яка відрізнялася від очікуваної. Подальший аналіз даних показав, що одна зоря дійсно робить оберт навколо іншої кожні 60 днів або близько того.

Павао згадує, як Річардсон сказав: "Це не проста бінарна система".

Співпраця має значення

У справу вступив Ян Дж. Елдрідж з Оклендського університету, співавтор статті в Nature й найбільший експерт у сфері розуміння бінарних зоряних систем та їхньої еволюції. На прохання Річардсона Елдрідж проаналізував тисячі моделей бінарних зірок і знайшов тільки дві, аналогічні тій, яку вивчали він і Павао.

Потім Елдрідж та його колеги склали схему життєвого циклу двох зірок бінарної системи, пояснивши, як релікт наднової роздувався та скидав масу на Be-зірку, поки вона теж не почала рости. Зрештою, наднова перетворилася на гелієву зірку з низькою масою, яка вибухнула, залишивши після себе нейтронну зірку, але вона вже передала так багато своєї маси Be-зірці, що вибух був тьмяним.

"По суті, ми з′ясували, як наднова взаємодіє з Be-зіркою та як вона проходить через ці дивні фази життєвого циклу", - пояснює Павао. "У якийсь момент у майбутньому ця Be-зірка також стане надновою нейтронної зірки, оскільки цикл триває. Через мільйони років вона перетвориться на бінарну систему з двома нейтронними зорями".

Еволюція CPD-29 2176, попередника кілонової

Credit: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Ця інфографіка ілюструє еволюцію зоряної системи CPD-29 2176, першого підтвердженого попередника кілонової:

• Стадія 1: дві масивні блакитні зірки формуються в бінарну зоряну систему.
• Стадія 2: більша з двох зірок наближається до кінця свого життя.
• Стадія 3: менша з двох зірок висмоктує матеріал зі свого більш зрілого компаньйона, позбавляючи його більшої частини зовнішньої атмосфери.
• Стадія 4: більша зірка формує "ультраобдерту" наднову - вибух зірки наприкінці життя з меншим "поштовхом", ніж у звичайної наднової.
• Стадія 5: як зараз спостерігають астрономи, нейтронна зоря, що утворилася внаслідок більш ранньої наднової, починає висмоктувати матеріал зі свого компаньйона, змінюючи ситуацію в бінарній парі.
• Стадія 6: втративши більшу частину своєї зовнішньої атмосфери, зірка-компаньйон також буде "ультраобдертою" надновою. Цей процес займе близько одного мільйона років.
• Стадія 7: на місці, де колись були дві масивні зірки, залишається пара нейтронних зірок на тісній взаємній орбіті.
• Стадія 8: дві нейтронні зірки рухаються по спіралі одна до одної, віддаючи свою орбітальну енергію у вигляді слабкого гравітаційного випромінювання.
• Стадія 9: остання стадія цієї системи, коли обидві нейтронні зорі стикаються, виробляючи потужну кілонову, космічний фактор важких елементів у нашому Всесвіті.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.