"Космический паук" оказался источником мощного гамма-излучения

Ученые обнаружили, что ярким загадочным источником гамма-излучения является быстро вращающаяся нейтронная звезда, миллисекундый пульсар, который вращается вокруг звезды в процессе эволюции в белый карлик с чрезвычайно малой массой. Эти типы двойных систем астрономы называют «пауками», потому что пульсар имеет тенденцию «съедать» внешние части звезды-компаньона, превращаясь в белого карлика.

Пара была обнаружена астрономами с помощью 4,1-метрового телескопа SOAR на Серро-Пачон в Чили, входящего в состав Межамериканской обсерватории Серро-Тололо (CTIO), программы NOIRLab NSF. Но первоначально их отыскали космическим гамма-телескопом Ферми, после чего они стали «недостающим звеном» в эволюции двойных систем.

Космический гамма-телескоп НАСА Ферми каталогизирует объекты во Вселенной, излучающие обильные гамма-лучи, с момента его запуска в 2008 году, но не все обнаруженные им источники гамма-лучей были опознаны. Один из таких источников, названный астрономами 4FGL J1120.0-2204, был вторым по яркости источником гамма-излучения на всем небе, до сих пор остающийся неопознанным.

Астрономы из Соединенных Штатов и Канады во главе с Сэмюэлем Суихартом из Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне, использовали спектрограф Гудмана на телескопе SOAR, чтобы определить истинную личность 4FGL J1120.0-2204. Было показано, что источник гамма-излучения, который также излучает рентгеновские лучи, наблюдаемый космическими телескопами NASA Swift и XMM-Newton ЕКА, представляет собой двойную систему, состоящую из «миллисекундного пульсара», который вращается сотни раз в секунду, и предшественника чрезвычайно маломассивного белого карлика. Пара находится на расстоянии более 2600 световых лет от нас.

«Это отличный пример того, как телескопы среднего размера в целом и SOAR в частности можно использовать для описания необычных открытий, сделанных с помощью других наземных и космических объектов», — отмечает Крис Дэвис, директор программы NOIRLab Национальной научной лаборатории США. «Мы ожидаем, что SOAR сыграет решающую роль в отслеживании многих других изменяющихся во времени источников в ближайшее десятилетие».

Оптический спектр двойной системы, измеренный спектрографом Гудмана, показал, что у света от компаньона протобелого карлика есть доплеровский сдвиг (попеременно смещается в красный и синий), что указывает на вращение вокруг компактной массивной нейтронной звезды каждые 15 часов.

«Спектры также позволили ограничить приблизительную температуру и поверхностную гравитацию звезды-компаньона», — говорит Суихарт, чья команда смогла использовать эти свойства и применить их к моделям, описывающим эволюцию двойных звездных систем. Это позволило им определить, что компаньон - это предшественник белого карлика с чрезвычайно малой массой, с температурой поверхности 8200°C (15 000°F) и массой всего 17% от солнечной.

Когда звезда с массой, как у Солнца или меньше, достигает конца жизни, у нее заканчивается водород, используемый для подпитки процессов ядерного синтеза в ее ядре. На какое-то время гелий берет верх над звездой и питает ее, заставляя сжиматься и нагреваться, а также побуждая ее расширяться и превращаться в красного гиганта размером в сотни миллионов километров. В конце концов, внешние слои набухшей звезды могут аккрецироваться на компаньона, и ядерный синтез останавливается, оставляя после себя белого карлика размером с Землю и шипящего при температурах, превышающих 100 000°C (180 000°F).

Протобелый карлик в системе 4FGL J1120.0-2204 еще не закончил развитие. «В настоящее время он раздут и примерно в 5 раз больше по радиусу, чем обычные белые карлики с такими же массами», — говорит Суихарт. «Он будет продолжать остывать и сжиматься, и примерно через 2 миллиарда лет н будет выглядеть идентично многим белым карликам с чрезвычайно малой массой, о которых мы уже знаем».

Миллисекундные пульсары вращаются сотни раз каждую секунду. Они раскручиваются за счет аккреции материи компаньона, в данном случае от звезды, которая стала белым карликом. Большинство миллисекундных пульсаров излучают гамма-лучи и рентгеновские лучи, когда пульсарный ветер, представляющий собой поток заряженных частиц, исходящих от вращающейся нейтронной звезды, сталкивается с веществом, испускаемым звездой-компаньоном.

Известно около 80 чрезвычайно маломассивных белых карликов, но «это первый предшественник обнаруженного чрезвычайно маломассивного белого карлика, который, вероятно, вращается вокруг нейтронной звезды», — говорит Суихарт. Следовательно, 4FGL J1120.0-2204 представляет собой уникальный взгляд на завершающую часть процесса раскрутки. Все другие открытые двойные системы белый карлик-пульсар давно прошли эту стадию.

«Последующая спектроскопия с помощью телескопа SOAR, нацеленная на несвязанные источники гамма-излучения Ферми, позволила увидеть, что компаньон вращается вокруг чего-то», — говорит Суихарт. «Без этих наблюдений мы не смогли бы найти таку захватывающую систему».