Астрономы обнаружили необычную звездную систему, удаленную от Земли примерно на 300 световых лет. В ней небольшая звезда постепенно поглощает расположенный рядом коричневый карлик. Вместо того чтобы разом проглотить соседа, светило медленно вытягивает из него вещество, и этот процесс может длиться миллиарды лет.
Большинство планет, включая Землю, движутся вокруг своих звезд по относительно стабильным орбитам. Однако такое спокойное соседство иногда заканчивается катастрофой: если планета подходит слишком близко к светилу, его гравитация притягивает ее и в итоге поглощает. Ученые уже наблюдали немало систем со стабильными орбитами, а также небольшое число звезд, которые стремительно заглатывают свои планеты. Теперь исследователи нашли объект, занимающий промежуточное положение между этими двумя крайностями.
В статье, опубликованной 5 октября в журнале Nature Astronomy, международная группа под руководством специалистов Массачусетского технологического института описывает звезду, которая медленно питается коричневым карликом — объектом массивнее обычной планеты, но недостаточно тяжелым для запуска термоядерного синтеза водорода, который поддерживает горение обычных звезд. Система получила обозначение ZTF J0440+2325 и находится в нашей галактике Млечный Путь на расстоянии около 300 световых лет. Это первый зафиксированный случай, когда маломассивная звезда постепенно перетягивает вещество с другого маломассивного объекта. Передача материи идет настолько медленно, что звезда может подпитываться за счет компаньона сотни тысяч, а возможно, и миллиарды лет.
«Когда мы думаем о взаимодействии звезд с планетами или коричневыми карликами, картина всегда одна: звезда в конце концов проглатывает другой объект, — говорит Кевин Бердж, доцент физики Массачусетского технологического института. — Именно это произойдет с Землей, когда Солнце превратится в красного гиганта. Но здесь мы нашли альтернативу: вместо того чтобы проглотить объект целиком, звезда может постепенно поедать его миллиарды лет». В исследовании также участвовали Аарон Хаусхолдер, Кейтлин Шин, Сол Раппапорт, Джоуин Чакраборти и Эмма Чиклс, а также коллеги из Калифорнийского технологического института, Гавайского университета, Института астрофизики Канарских островов и Университета Ла-Лагуна в Испании, а также Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Первую подсказку об этой необычной связи дала астрономическая программа Zwicky Transient Facility (ZTF), которая ищет объекты с меняющейся яркостью. С помощью телескопа обсерватории Паломар в Калифорнии ZTF многократно фотографирует большие участки ночного неба, а ее чувствительная камера улавливает резкие или странные изменения света, которые могут указывать на мощные космические события — взрывы сверхновых, гамма-всплески или столкновения нейтронных звезд. Несколько лет назад, изучая собранные ZTF наблюдения, Бердж заметил необычную картину. Астрономы исследуют изменение яркости объекта с помощью графика, который называется кривой блеска. У некоторых сверхновых такой график имеет округлую, колоколообразную форму: взорвавшаяся звезда сначала разгорается, а затем постепенно угасает. Сигнал, с которым столкнулся Бердж, выглядел совершенно иначе — вместо плавного подъема и спада яркость раз за разом выписывала нечто похожее на треугольник.
В то время Бердж и его коллеги изучали другой необычный сигнал, источником которого оказалась система типа «черная вдова». Такие системы содержат нейтронную звезду — чрезвычайно плотный остаток массивного светила, — которая быстро вращается и сдирает вещество с гораздо меньшего компаньона. Свое название они получили по аналогии с пауками черными вдовами, которые постепенно убивают партнера. Бердж сначала предположил, что повторяющийся треугольный сигнал тоже может идти от системы «черной вдовы», но наблюдения не совпали с ожиданиями. В типичной «черной вдове» сильный контраст масс двух объектов создает характерное движение: меньший компаньон быстро обращается вокруг гораздо более тяжелой нейтронной звезды, что вызывает заметные изменения света, доходящего до Земли. Однако у загадочного треугольного сигнала ничего похожего не было. «Мы не видели здесь такого метания туда-сюда, — говорит Бердж. — Это не имело никакого смысла. Мы не могли объяснить, что это такое». Тогда исследователи допустили другую возможность: возможно, в системе нет одного сверхмассивного объекта в паре с гораздо более легким компаньоном, а оба тела имеют относительно небольшую массу и потому обращаются друг вокруг друга куда спокойнее.
Со временем Бердж и Аарон Хаусхолдер, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института, вернулись к необъясненному сигналу. Используя исходные наблюдения ZTF, они определили, что его источник находится на расстоянии примерно 300 световых лет в Млечном Пути, а затем направили на систему ZTF J0440+2325 несколько телескопов, чтобы детально изучить ее свойства. Ключевым измерением стало определение того, насколько сильно объекты системы смещаются под действием взаимного притяжения. Хотя исследователи и заметили некоторое колебание, оно оказалось гораздо меньше движения, характерного для «черных вдов». «Это и стало решающим доводом для данной системы, — говорит Хаусхолдер. — Когда мы измерили это колебание, то поняли, что видим не „черную вдову“. Это маломассивная звезда, вокруг которой обращается коричневый карлик. Амплитуда колебания была слишком мала, чтобы это было что-то другое». Наблюдения показали два необычно компактных объекта, обращающихся на чрезвычайно близком расстоянии. Центральная звезда примерно в 85 раз массивнее Юпитера, а коричневый карлик весит около 25 масс Юпитера. Для сравнения: Солнце более чем в 1000 раз массивнее Юпитера. Коричневый карлик совершает полный оборот вокруг своей звезды всего за 87 минут, а его орбита настолько мала, что поместилась бы внутри диаметра Солнца.
Когда один астрономический объект забирает газ или другое вещество у другого, астрономы называют этот процесс аккрецией. Особенно хорошо она известна в системах с черными дырами и нейтронными звездами: хотя эти объекты могут быть очень массивными, их физические размеры относительно невелики, и падающее на черную дыру вещество часто образует вокруг нее закрученный диск, прежде чем уйти внутрь. Но ZTF J0440+2325, судя по всему, работает иначе: материю собирает не черная дыра и не нейтронная звезда, а обычная маломассивная звезда, получающая вещество от nearby коричневого карлика. Поскольку физическая поверхность такой звезды гораздо больше, чем у компактного объекта вроде черной дыры, падающее вещество может ударяться прямо в нее. «Разница здесь в том, что вещество поглощает не крошечная черная дыра, а звезда, которая довольно велика по размеру, — поясняет Бердж. — Поэтому материя просто бьет прямо по поверхности на очень высокой скорости, как астероид, врезающийся в Луну». Чтобы проверить, происходит ли это на самом деле, исследователи создали компьютерные модели системы. Они смоделировали частицы, исходящие от коричневого карлика, и рассчитали, как эти частицы будут двигаться под гравитационным влиянием обоих объектов, используя измеренные свойства звезды и ее компаньона, а также физические уравнения орбитального движения. Результаты подтвердили догадку команды: вещество, покидающее коричневый карлик, двигалось по траекториям, которые вели его прямо в звезду. «Когда мы отслеживаем эти пробные частицы, мы видим, что они действительно падают прямо на поверхность звезды, — говорит Хаусхолдер. — Это первый случай, когда мы поймали маломассивную звезду на активной аккреции вещества с другого маломассивного объекта».
Команда также оценила, насколько быстро коричневый карлик теряет вещество. Согласно расчетам, звезда поглощает примерно одну стотысячную массы Земли в год. Эта величина может показаться незначительной, но на деле речь идет об огромном количестве материи — исследователи сравнивают его примерно с 40 миллионами самосвалов вещества или примерно 1,3 триллиона буррито весом в фунт каждую секунду. Несмотря на эти ошеломляющие цифры, коричневый карлик настолько массивен, что потеря вещества составляет лишь крошечную долю его общей массы. В астрономических масштабах процесс питания идет удивительно постепенно: исходя из свойств системы и оцененной скорости переноса массы, звезда может продолжать вытягивать вещество из компаньона миллиарды лет. Вместо внезапного катастрофического столкновения, которое уничтожило бы меньший объект, звезда, похоже, поддерживает относительно ровный поток материи от соседа. Это открытие помогло объяснить и странный треугольный световой узор, который первым привлек внимание Берджа: когда вещество течет от коричневого карлика к звезде, оно ударяется о ее поверхность на высокой скорости, создавая сильно разогретую область. Эта яркая горячая точка действует как постоянный огненный шар на звезде. Пока коричневый карлик совершает свой 87-минутный оборот, горячая точка раз за разом попадает в поле зрения наблюдателя и выходит из него, а эти изменения видимости и создают характерный узор усиления и ослабления яркости, который астрономы долго не могли понять. «Это как если бы на одном из объектов постоянно горел огненный шар, и пока один обращается вокруг другого, эта горячая точка появляется и исчезает из виду, а пик треугольного сигнала приходится на момент, когда вы смотрите прямо на этот огненный шар», — объясняет Бердж.
Теперь, когда треугольный сигнал наконец объяснен, исследователи заинтересованы в поиске других звездных систем со схожим поведением. До сих пор наблюдения за тесным взаимодействием звезд с их планетными компаньонами в основном описывали либо стабильные орбиты, либо относительно быстрые события поглощения. ZTF J0440+2325 показывает, что существует и другой вариант: при подходящих условиях небольшая звезда может постепенно извлекать вещество из nearby коричневого карлика, не уничтожая его сразу. Обнаружение новых подобных примеров поможет астрономам понять, насколько распространен этот процесс, как долго он может длиться и что в конечном итоге происходит с объектами, оказавшимися в столь тесной связи. Открытие может также дать новые сведения об эволюции планет и коричневых карликов, обращающихся вблизи своих звезд. «Это вдохновляет нас на множество новых поисков, — говорит Хаусхолдер. — Думаю, мы многое узнаем о другом типе взаимодействия планет и коричневых карликов с их звездами». Исследование частично поддержано Национальным научным фондом.