Астрономія
Астрономія

Астрономи вперше побачили спалахи мікронових

Астрономам вперше вдалося підтвердити існування спалахів мікронових — подій, у мільйон разів менш потужніших за класичні нові. У роботі, опублікованій у журналі Nature, вчені повідомили про три спалахи мікронових на білих карликах з подвійних систем, які не можна пояснити явищами магнітного перез'єднання або посиленням акреції матеріалу на одного з карликів. Спалахи були подібні до рентгенівських сплесків типу I, що виникають у системах з нейтронними зірками, а астрономи пов'язують їхню природу з локальним спалюванням водню за взаємодії з потужним магнітним полем світила.

M. Kornmesser, L. Calçada / ESO

M. Kornmesser, L. Calçada / ESO

Що спалахує на зірках?

Зазвичай життя поодинокої зірки, яка, наприклад, не має масивнішої компаньйонки, яка може забирати в неї матеріал, проходить відносно спокійно: нуклеосинтез у її надрах підтримує її в енергетичній рівновазі, і вона повільно спалює свої запаси водню. Далі все залежить від маси світила, і за різних умов, по закінченню водню, світило може або запустити нові термоядерні реакції та згодом спалахнути надновою через колапс свого ядра, або почати повільно остигати і перетворюватися на білих карликів — зорі низької світності.

Втім, і білих карликів іноді не обходять вибухи, а тому іноді вони можуть переживати потужний ріст яскравості — спалахи нових. Ці події відбуваються у подвійних системах з білим карликом, який може акреціювати на себе речовину зірки-компаньйона. Причому астрономи зійшлися у тому, що цей матеріал, який переноситься, не падає безпосередньо на світило, а утворює багатий на водень акреційний диск, що дрейфує до білого карлика і поступово стискається, нагріваючись доти, поки не почнуться термоядерні реакції. В результаті новою можна вважати викид у міжзоряне середовище близько 10^-7 - 10^-4 маси Сонця матеріалу зі швидкістю у кілька тисяч кілометрів на секунду. На відміну від спалаху наднової, спалах нової не руйнує білий карлик, а подібні явища супроводжуватимуть його ще з інтервалом від десятків до тисячі років.

Астрономи помічають від п'яти до десяти таких подій на рік — ці спалахи нових досить звичайні і є другим за частотою типом зіркових термоядерних вибухів у нашій Галактиці після рентгенівських спалахів I типу. Однак вчені передбачають існування і інших вибухових явищ, які можуть статися на білих карликах — локальних і менш потужних за нові — спалахів мікронових. Їх вперше і вдалося підтвердити астрономам завдяки спостереженням космічного телескопа TESS і комплексу Дуже великого телескопа.

Звідки взялися мікронові?

Як ми згадали, класичні нові є результатом так званої термоядерної «втечі» матеріалу (thermonuclear runaways) на приповерхневих шарах білих карликів. Принциповим є те, що класичний спалах нової — це завжди глобальне явище, коли шар водню, який вдалося акреціювати, вигоряє по всій поверхні білого карлика після локального «займання». Тому їх і порівнюють зі спалахами типу I, в яких спалах також виникає в одному місці і зрештою покриває всю поверхню.

На думку ж про мікронові — локальний термоядерний розгін речовини — вчених наштовхнула необхідність пояснити асиметрію в оболонках деяких спостережуваних нових. Зокрема у системі з білим карликом TV Голуба (TV Columbae), в якій за 40 років спостереження в оптичному і рентгенівському діапазонах виявили швидкі спалахи, під час яких високоіонізовані лінії гелію і азоту посилювалися, а в ультрафіолетовому діапазоні можна було спостерігати витікання речовини зі швидкостями понад 3 500 кілометрів на секунду. Світність під час спалахів в оптичному та ультрафіолетовому діапазоні збільшувалася більш ніж утричі менш ніж за годину та загасала протягом 10 годин.

Автори цієї роботи повідомили про вперше зафіксовані спалахи мікронових, причому не лише у системі TV Голуба, а і в EI Великої Ведмедиці (EI Ursae Majori) та ASASSN-19bh, за якими роками спостерігали за допомогою космічної обсерваторії TESS.

Як спалахнули зірки?

TV Голуба характеризується орбітальним періодом у 5,5 години, а її білий карлик обертається з періодом у 1900 секунд. В EI Великої Ведмедиці також знаходиться сильно замагнічений білий карлик, який акреціює матеріал зі своєї зірки-компаньйона. Орбітальний період EI Великої Ведмедиці оцінюють у 6,4 години, а період обертання карлика — у 746 секунд. Зірку-донор для білого карлика у системі ASASSN-19bh віднесли до зірок К-типу. ASASSN-19bh виявили у січні 2019 року як транзієнт з раптовим збільшенням яскравості, а лінії поглинання від світила-донора вдалося розгледіти за допомогою інструмента X-Shooter на Дуже великому телескопі.

На отриманих TESS з 2018 по 2020 кривих блиску TV Голуба вчені помітили три послідовні сплески, які простяглися на 12 годин, збільшуючи свою яскравість менш ніж за пів години. Між сплесками пройшло три дні. Помічені два сплески EI Великої Ведмедиці тривали по сім годин, а між ними пройшов один день. У випадку ASASSN-19bh вдалося помітити поодинокий сплеск енергії, який наростав протягом півтори години, збільшуючи світність у 25 разів, та затухаючи протягом кількох днів.

Порівняння кривих блиску спалахів мікронових TV Голуба (а) та ASASSN-19bh (b) з рентгенівськими сплесками типу I. Simone Scaringi et al. / Nature, 2021

Порівняння кривих блиску спалахів мікронових TV Голуба (а) та ASASSN-19bh (b) з рентгенівськими сплесками типу I. Simone Scaringi et al. / Nature, 2021

Ці спостереження свідчать: сплески, які характеризували TV Голуба, зустрічаються і в інших системах, а також можуть виникати групами. Враховуючи коротку тривалість та енергію, що вивільняється спалахами в порівнянні з вибухами нових, термоядерний розгін повинен обмежуватися спалюванням обмеженої кількості матеріалу та обмежуватися лише частиною поверхні білого карлика. І враховуючи у мільйон разів нижчу загальну енергію вибуху від такого у класичних нових, події можна характеризувати як мікронові.

Що потрібно для спалаху мікронової?

Щоб пояснити спостережувані спалахи вчені запропонували декілька сценаріїв. Перевірка моделі того, що спалах викликала термов'язка нестабільність у диску з акреційованого матеріалу подібно тому, як це відбувається у карликових нових. Однак короткий час тривалості сплесків та їхня поява у близьких системах унеможливлюють цей варіант. Другим поясненням могло бути магнітне перез'єднання, коли протилежно напрямлені лінії магнітного поля світила розз’єднуються і знову замикаються через шар електричного струму, що виник між ними. Маломасивні зірки, подібні до тих, що виступають донорами у системах, за якими спостерігали вчені, можуть виділяти енергію завдяки магнітному перез'єднанню. Однак найпотужніші з відомих на сьогодні подібних спалахів було вчетверо менш енергійними, ніж TV Голуба і EI Великої Ведмедиці, та вп'ятеро менші за сплеск, спостережуваний у ASASSN-19bh.

За аналогією з класичними спалахами нових, для займання водневого палива на вуглецево-кисневому білому карлику, речовина, що акреціюється, повинна досягти критичного тиску, значення якого зменшиться, якщо акреція обмежиться набагато меншою часткою площі поверхні. Таким чином, враховуючи що для білих карликів в усіх системах очікується наявність магнітного поля у 10^6 гаус, воно може керувати потоками акреційованого матеріалу та утворювати стовпчасті потоки багатої на водень речовини, яка почне потрапляти локально на магнітні полюси карликів. Утворений у цьому процесі спалах і можна вважати мікроновою.

За оцінками, нижня межа маси речовини, яка взяла участь у термоядерній реакції, для TV Голуба склала 1,8x10^-11, для EI Великої Ведмедиці — 2,6x10^-11, та 5,8x10^-11 маси Сонця для ASASSN-19bh. Це у мільйон разів менше, ніж у випадку класичних нових.

Також раніше ми розповідали про найдавнішу документально підтверджену нову — СК Лисички, яка виявилася проміжним класом між новою та надновою. А у побаченої ще у 12 столітті китайськими астрономами наднової вдалося відшукати залишок — туманність Pa 30, яка зберегла свідчення про вибух, який міг бути результатом зіткнення двох білих карликів. А більше про еволюцію та часом вибухове життя світил nauka.ua розповідала у картках «Як живуть зірки».


Фото в анонсі: M. Kornmesser, L. Calçada / ESO