Астрономы разгадали 16-летнюю космическую тайну, обнаружив недостающее звездное звено

Туманность «Синее кольцо», которая тревожила ученых более десяти лет, скорее всего, является самым молодым известным примером слияния двух звезд в одну.

Об этом рассказывают в Обсерватории В. М. Кека.

В 2004 году ученые с помощью расположенного в космосе «Исследователя эволюции галактик» (GALEX) от НАСА заметили объект, непохожий на любой другой из тех, которые они видели раньше в нашей галактике Млечный Путь: большой, тусклый шарик газа со звездой в центре. Хотя, на самом деле, он не излучает свет, видимый для человеческого глаза, GALEX заснял шарик в ультрафиолетовом свете и, таким образом, на изображениях он выглядит синим; дальнейшие наблюдения также обнаружили внутри него толстую кольцевую структуру. Поэтому, команда прозвала его туманностью «Синее кольцо». В течение следующих 16 лет они изучали его с помощью множества земных и космических телескопов, включая Обсерваторию Кека на Маунакеи на Гавайях, но чем больше они узнавали, тем загадочнее он казался.

Новое исследование, опубликованное онлайн 18 ноября в журнале Nature, возможно, раскрыло это дело. Применяя современные теоретические модели к массе данных, собранных на этом объекте, авторы утверждают, что туманность – облако газа в космосе – вероятно, состоит из обломков двух звезд, которые столкнулись и слились в одну звезду.

Несмотря на то, что системы с объединенными звездами считаются достаточно распространенными, но практически невозможно изучить их сразу после образования, поскольку они затмеваются обломками, поднятыми столкновением. После того, как обломки расчистятся – по крайней мере через сотни тысяч лет спустя – их сложно идентифицировать, поскольку они напоминают неслитые звезды. Похоже, туманность Синее кольцо является недостающим звеном: астрономы видят звездную систему всего через несколько тысяч лет после слияния, когда доказательств объединения все еще много. Кажется, это первый известный пример объединенной звездной системы на этом этапе.

Отработав между 2003 и 2013 годами под управлением Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии, GALEX был разработан, чтобы помочь изучить историю формирования звезд путем наблюдений за популяциями молодых звезд в ультрафиолетовом свете. Большинство объектов, на которые смотрел GALEX, излучали как ближнее УФ-излучение (на изображениях GALEX желтым цветом), так и дальнее УФ-излучение (показано синим), но туманность Синее кольцо выделялась тем, что излучала только дальний УФ свет.

Размер объекта был похож на остаток сверхновой, которая образуется, когда у массивной звезды заканчивается топливо и она взрывается, или на планетарную туманность – надутые остатки звезды, размером с наше Солнце. Но в туманности Синее кольцо в центре была живая звезда. Кроме того, остатки сверхновой и планетарные туманности излучают в несколько длин световых волн вне УФ-диапазона, тогда как туманность Синее кольцо – нет.

Фантомная планета

В 2006 году команда GALEX рассмотрела туманность с помощью 5,1-метрового телескопа Хейла в Паломарской обсерватории (округ Сан-Диего, Калифорния), а затем еще более мощными 10-метровыми телескопами обсерватории Кека. С помощью Спектрометра с низкой разрешающей способностью (LRIS) Обсерватории Кека, они обнаружили следы ударной волны в туманности, что позволяет предположить, что газ, образующий туманность Синее кольцо, действительно был изгнан каким-то насильственным событием вокруг центральной звезды.

«Спектры LRIS Кека ударного фронта были бесценными для того, чтобы закрепить то, как возникла туманность "Синее кольцо", - говорит Кэри Хоадли, астрофизик из Калифорнийского технологического университета и ведущий автор исследования. «Ее скорость была слишком высокой для типичной планетарной туманности, но была слишком медленной, чтобы быть сверхновой. Эта необычная промежуточная скорость между ними дала нам мощную подсказку о том, что что-то другое должно было произойти, чтобы создать туманность».

Данные из Спектрометра высокого разрешения Эшеля (HIRES) Обсерватории Кека также свидетельствуют о том, что звезда вытягивала большое количество материала на свою поверхность. Но откуда взялся этот материал?

«Наблюдения HIRES в Кеке дали нам первые доказательства того, что система аккрециирует материал», - говорит соавтор Марк Зайберт, астрофизик из Института наук Карнеги и член команды GALEX в Калтех, который управляет Лабораторией реактивного движения. «Долгое время мы думали, что, возможно, существовала планета, которая в несколько раз превышала массу Юпитера, которую разрывала звезда, и поэтому выбрасывался весь этот газ из системы. Хотя данные HIRES, казалось бы, подтверждают эту теорию, они также говорили нам осторожно относиться к такой интерпретации, предполагая, что аккреция может иметь что-то общее с движениями в атмосфере центральной звезды».

Чтобы собрать больше данных, в 2012 году команда GALEX использовала Широкополосный инфракрасный обзорный исследователь (WISE) – космический телескоп НАСА, который изучал небо в инфракрасном свете, – и идентифицировала пылевой диск, который вращается близко вокруг звезды. Архивные данные с трех других инфракрасных обсерваторий также заметили этот диск. Находка не исключала возможности того, что планета также вращалась вокруг звезды, но в конце концов команда показала бы, что диск и материал, выброшенный в космос, происходят из чего-то большего, чем даже гигантская планета. Затем, в 2017 году телескоп Хобби-Эберли в Техасе подтвердил, что компактного объекта, вращающегося вокруг звезды, нет.

Более десятилетия после открытия туманности Синее кольцо, команда собрала данные о системе с четырех космических и четырех наземных телескопов, исторических наблюдений за звездой, начиная с 1895 года (с целью поиска изменений в ее яркости в течение времени), а также с помощью гражданских ученых из Американской ассоциации наблюдателей переменных звезд (AAVSO). Но объяснение того, что создало туманность, все еще избегало их.

Выслеживая звезду

Когда Хоадли начала сотрудничать с научной командой GALEX в 2017 году, «группа будто ударилась о стену» с туманностью Синее кольцо, сказала она. Но Хоадли была очарована таким непонятным объектом и его причудливыми чертами, поэтому она приняла вызов, пытаясь разгадать тайну. Казалось вероятным, что решение будет исходить не из большего количества наблюдений за системой, а из передовых теорий, которые могли бы иметь смысл в имеющихся данных. Поэтому, Крис Мартин, главный исследователь GALEX в Калтех, обратился за помощью к Брайану Мецгеру из Колумбийского университета.

Как астрофизик-теоретик, Мецгер разрабатывает математические и вычислительные модели космических явлений, с помощью которых можно предсказать, как эти явления будут выглядеть и вести себя. Он специализируется на космических слияниях – столкновениях между различными объектами, будь то планеты и звезды, или две черные дыры.

«Дело идет не о том, что только Брайан мог объяснить данные, которые мы видели; он, по сути, предвидел то, что мы наблюдали до того, как он это увидел», - сказала Хоадли. «Он сказал: "Если это звездное слияние, то вы должны увидеть X", и это было похоже на: "Да! Мы это видим!"»

Команда пришла к выводу, что туманность является продуктом относительно свежего звездного слияния, которое, вероятно, произошло между звездой, подобной нашему Солнцу, и другой звездой, размером всего примерно в одну десятую от первой (или примерно в 100 раз больше массы Юпитера). Ближе к концу своей жизни, подобная Солнцу звезда начала набухать, подбираясь ближе к своему спутнику. В конце концов, меньшая звезда попала в нисходящую спираль к своему большему спутнику. По дороге, большая звезда разорвала меньшую, укутавшись в кольцо обломков, прежде чем полностью проглотить меньшую звезду.

Это было насильственное событие, которое привело к образованию туманности Синее кольцо. Слияние выпустило в космос облако горячего мусора, разрезанного на две части газовым диском. Это создало два конусообразные мусорные облака, основы которых удаляются от звезды в противоположных направлениях и расширяются, по мере их движения наружу. Основа одного конуса идет почти непосредственно к Земле, а другой почти прямо вдаль. Они слишком тусклые, чтобы их видеть в одиночку, но область, где конусы перекрываются (как видно с Земли), образует центральное синее кольцо, за которым наблюдал GALEX.

Шли тысячелетия, а расширяемое осколочное облако охлаждалось и образовывало молекулы и пыль, в том числе молекулы водорода, которые сталкивались с межзвездной средой – разреженным собранием атомов и энергетических частиц, заполняющих пространство между звездами. Столкновение возбуждали молекулы водорода, заставляя их излучать в УФ-свете на определенной длине света. Со временем, свечения стало достаточно ярким, чтобы его видел GALEX.

Звездные слияния могут происходить раз в 10 лет в нашей галактике Млечный Путь, и это означает, что возможно, значительная популяция звезд, которые мы видим на небе, когда были по двое.

«Мы видим множество двухзведных систем, которые когда-то могут слиться, и мы считаем, что идентифицировали звезды, которые слились, возможно, миллионы лет назад. Но у нас почти нет данных о том, что происходит между ними», - говорит Мецгер. «Мы считаем, что в нашей галактике, вероятно, много молодых остатков слияния звезд, и туманность Синее кольцо может показать нам, как они выглядят, чтобы мы могли их идентифицировать».

Несмотря на то, что это, вероятно, завершение 16-летней тайны, это также может быть началом новой главы в исследовании слияния звезд.

«Странно, что GALEX удалось найти этот на самом деле тусклый объект, который мы не искали, но который оказывается чем-то действительно интересным для астрономов», - говорит Зайберт. «Это просто повторяет, что, когда вы смотрите на Вселенную с новой длиной волны или по-новому, вы находите вещи, о которых вы никогда не думали».

Читайте еще интересные новости о космосе.