Астрономы нашли «катастрофическую» пару звезд с самой короткой орбитой

Катастрофическая переменная возникает, когда две звезды сближаются в течение миллиардов лет, что приводит к тому, что белый карлик начинает аккрецировать или съедает материал от звезды-партнера. Этот процесс может испускать огромные переменные вспышки света, которые столетия назад астрономы считали результатом какого-то неизвестного катаклизма.

Недавно обнаруженная система, которую команда пометила как ZTF J1813+4251, представляет собой катастрофическую переменную с самой короткой орбитой, обнаруженной на сегодняшний день. В отличие от других подобных систем, наблюдавшихся в прошлом, астрономы уловили эту катаклизмическую переменную, поскольку звезды несколько раз затмевали друг друга, что позволило команде точно измерить свойства каждой звезды.

С помощью этих измерений исследователи провели моделирование того, что система делает сегодня и как она должна развиваться в течение следующих сотен миллионов лет. Они пришли к выводу, что звезды находятся в переходном состоянии, и что солнцеподобная звезда вращается и «пожертвовала» большую часть водородной атмосферы ненасытному белому карлику. Звезда, похожая на Солнце, в конечном итоге превратится в плотное, богатое гелием ядро. Еще через 70 миллионов лет звезды будут мигрировать еще ближе друг к другу, на ультракороткую орбиту, достигающую всего 18 минут, прежде чем они начнут расширяться и расходиться.

Десятилетия назад исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций предсказали, что такие катаклизмы должны перейти на ультракороткие орбиты. Это первый раз, когда такая переходная система наблюдалась напрямую.

«Это редкий случай, когда мы застали одну из этих систем в процессе переключения с аккреции водорода на гелий», — говорит Кевин Бердж, научный сотрудник отдела физики Массачусетского технологического института. «Люди предсказывали, что эти объекты должны перейти на ультракороткие орбиты, и долгое время обсуждалось, смогут ли они стать достаточно короткими, чтобы излучать обнаруживаемые гравитационные волны. Это открытие ставит точку в этом вопросе».

Астрономы обнаружили новую систему в обширном каталоге звезд, наблюдавшемся Zwicky Transient Facility (ZTF) — обзоре, в котором используется камера, прикрепленная к телескопу в Паломарской обсерватории в Калифорнии, для получения изображений с высоким разрешением широких участков звездного неба. 

В ходе исследования было получено более 1000 изображений каждой из более чем 1 миллиарда звезд на небе, с записью изменения яркости каждой звезды в течение дней, месяцев и лет.

Для этого нового исследования Бердж просмотрел данные ZTF для звезд, которые неоднократно вспыхивали с периодом менее часа — частота, которая обычно сигнализирует о системе, состоящей по крайней мере из двух близких по орбите объектов, один из которых пересекает другой и ненадолго блокируя его свет.

Он использовал алгоритм, чтобы отсеять более 1 миллиарда звезд, каждая из которых была записана более чем на 1000 изображений. Алгоритм отсеял около 1 миллиона звезд, которые вспыхивали каждый час или около того. Среди них Бердж затем искал на глаз сигналы, представляющие особый интерес. Его поиски остановились на ZTF J1813+4251 — системе, которая находится примерно в 3000 световых годах от Земли, в созвездии Геркулеса.

«Я видел затмение, происходящее каждые 51 минуту, и я сказал: это определенно бинарная система», — вспоминает Бердж.

Они с коллегами сосредоточились на системе, используя Обсерваторию Кека на Гавайях и Gran Telescopio Canarias в Испании. Они обнаружили, что система была исключительно «чистой», а это означает, что они могли ясно видеть изменение ее света с каждым затмением. С такой ясностью они смогли точно измерить массу и радиус каждого объекта, а также период их обращения.

Они обнаружили, что первый объект был белым карликом, размером в 1/100 от Солнца и примерно половиной его массы. Второй объект был похожей на Солнце звездой в конце своей жизни, размером и массой в 10 раз меньше Солнца (примерно размером с Юпитер). Звезды также вращались вокруг друг друга каждые 51 минуту.

Тем не менее, что-то не совсем складывалось.

Вскоре Бердж нашел объяснение: почти 30 лет назад исследователи, в том числе почетный профессор Массачусетского технологического института Сол Раппапорт, предсказали, что сверхкороткоорбитальные системы должны существовать как катаклизмические переменные. По мере того, как белый карлик вращается вокруг солнцеподобной звезды и поглощает ее легкий водород, солнцеподобная звезда должна сгореть, оставив ядро из гелия — элемента, более плотного, чем водород, и достаточно тяжелого, чтобы удерживать мертвую звезду на узкой ультракороткой орбите.

Бердж понял, что ZTF J1813+4251 была катаклизмической переменной в процессе перехода от тела, богатого водородом, к телу, богатому гелием. Открытие подтверждает предсказания, сделанные Раппапортом и другими, а также является самой короткой орбитальной катаклизмической переменной, обнаруженной на сегодняшний день.

«Это особая система, — говорит Бердж. «Нам вдвойне повезло найти систему, которая отвечает на большой открытый вопрос и является одной из самых красивых известных катаклизмических переменных».