Астрономы давно наблюдают необычные радиоимпульсы, которые приходят от некоторых двойных звёздных систем через несколько минут и продолжаются на протяжении нескольких часов. Их особенность заключается в том, что такие всплески повторяются гораздо медленнее, чем радиоимпульсы от пульсаров, хотя сами сигналы могут быть очень мощными и направленными.
Теперь исследователи получили более подробное представление о физическом механизме, который способен создавать такие сигналы. Компьютерное моделирование показало, как взаимодействие двух совершенно разных звёзд — белого карлика и красного карлика спектрального класса M — может приводить к возникновению интенсивных когерентных радиоимпульсов.
Ключевую роль в этом процессе играет движение звёзд относительно друг друга и сильное магнитное поле белого карлика. В результате между двумя объектами возникает электрический ток, а движущиеся в магнитном поле электроны становятся источником направленного радиоизлучения. Этот процесс известен как электронно-циклотронная мазерная неустойчивость.
Получившийся механизм напоминает физический процесс, который уже много десятилетий изучается в системе Юпитера и его спутника Ио. Однако теперь показано, что похожий принцип может работать не только между планетой и её спутником, но и в гораздо более экстремальной двойной звёздной системе.
Почему эти радиоимпульсы долго оставались загадкой
Необычная периодичность сигналов
Обычные радиоисточники во Вселенной могут быть постоянными или изменяться со временем, но некоторые объекты демонстрируют чрезвычайно регулярные повторяющиеся всплески. Именно такие источники привлекли внимание астрономов.
В рассматриваемом классе систем радиоизлучение появляется с интервалами в несколько минут. При этом сами источники могут наблюдаться на протяжении нескольких часов, создавая последовательность повторяющихся радиоимпульсов.
Такая периодичность сразу указывает на наличие некоторого регулярно повторяющегося процесса. Однако здесь возникала важная проблема: интервалы между импульсами значительно длиннее, чем характерные периоды вращения быстро вращающихся нейтронных звёзд, известных как пульсары.
Пульсары способны совершать множество оборотов за короткое время и поэтому создают чрезвычайно быстрые последовательности импульсов. В системах с белым и красным карликом наблюдаемая периодичность связана с другим физическим процессом — движением двух звёзд по общей орбите.
Двойная система работает как единый электромагнитный механизм
Исследуемые системы состоят из двух объектов. Один из них — белый карлик, то есть чрезвычайно плотный остаток звезды, которая завершила свою обычную эволюцию. Второй — красный карлик спектрального класса M, сравнительно небольшая и холодная по сравнению с Солнцем звезда.
В некоторых таких системах звёзды находятся достаточно близко друг к другу, чтобы их электромагнитное взаимодействие становилось существенным. Особенно важна магнитосфера белого карлика, поскольку её магнитное поле значительно влияет на движение заряженных частиц.
Когда красный карлик движется по орбите через область, связанную с сильным магнитным полем белого карлика, возникает электрический ток. Именно он обеспечивает энергией механизм, который в конечном счёте создаёт наблюдаемые радиоимпульсы.
Как устроена система из белого и красного карлика
Белый карлик — остаток звезды
Белый карлик представляет собой конечную стадию эволюции звёзд сравнительно небольшой и средней массы. После того как такая звезда исчерпывает доступное ядерное топливо и сбрасывает внешние слои, остаётся очень плотное горячее ядро.
Белый карлик по массе может быть сравним с Солнцем, но его размер намного меньше солнечного. Поэтому вещество внутри него находится в чрезвычайно плотном состоянии.
В рассматриваемых двойных системах белый карлик особенно важен благодаря магнитному полю. Оно формирует окружающую структуру, через которую движется второй компонент системы.
Красный карлик заметно больше белого карлика по размеру
Вторым объектом является звезда спектрального класса M. Такие звёзды значительно меньше и холоднее Солнца, однако по физическому размеру они могут быть намного больше белого карлика.
Таким образом, в одной системе соседствуют компактный звёздный остаток и относительно небольшая обычная звезда. Их физические свойства сильно различаются, но именно это взаимодействие и создаёт условия для возникновения необычного радиоизлучения.
Исследователи рассматривают системы, в которых массы двух объектов могут быть близкими, несмотря на огромную разницу в размерах. Белый карлик содержит большую массу в чрезвычайно компактном объёме, тогда как красный карлик занимает значительно больше пространства.
Что происходит, когда звёзды обращаются друг вокруг друга
Орбитальное движение создаёт электрический ток
Одним из главных результатов нового исследования стало компьютерное моделирование процесса, происходящего между двумя звёздами.
В изучаемых системах белый и красный карлики обращаются вокруг общего центра масс. В одном из рассмотренных примеров полный оборот занимает примерно два часа.
Красный карлик при своём движении оказывается в области сильного магнитного поля белого карлика. Заряженные частицы реагируют на магнитное поле, а само движение звезды относительно магнитосферы приводит к возникновению электрического тока.
Этот ток можно представить как своеобразный электрический канал, связывающий два компонента системы через магнитное поле.
Энергия орбитального движения таким образом передаётся в электромагнитную среду вокруг звёзд. Именно эта цепочка процессов в конечном счёте обеспечивает энергию для возникновения мощного радиоизлучения.
Похожий механизм работает у Юпитера и Ио
Физический принцип не является совершенно новым. Похожее явление давно известно в системе Юпитера и Ио.
Ио — один из крупнейших спутников Юпитера. Он движется через мощную магнитосферу планеты. Из-за этого взаимодействия между спутником и магнитным полем Юпитера возникает электрический ток.
Ещё в 1960-х годах Питер Голдрайх и Дональд Линден-Белл предложили объяснение, согласно которому движение Ио через магнитное поле Юпитера создаёт мощный ток между спутником и магнитосферой планеты.
Позднее существование связанного с этим током электрического потока было подтверждено наблюдениями космических аппаратов, а дальнейшие исследования показали связь этого процесса с радиоизлучением системы Юпитер — Ио.
Теперь похожая физическая схема применяется к системе двух звёзд, хотя условия там существенно отличаются.
Электронно-циклотронная мазерная неустойчивость
Как движение электронов превращается в радиосигнал
Ключевым механизмом является электронно-циклотронная мазерная неустойчивость, обычно обозначаемая аббревиатурой ECMI.
Суть процесса связана с поведением электронов в магнитном поле. Заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, могут совершать спиральное движение вокруг магнитных силовых линий.
При определённых условиях распределение электронов становится неустойчивым. В результате электроны начинают взаимодействовать с электромагнитными волнами таким образом, что энергия частиц передаётся излучению.
Возникает усиленное когерентное радиоизлучение — мазер.
Название «мазер» связано с принципом усиления электромагнитного излучения стимулированным излучением, аналогичным принципу работы лазера. Отличие заключается в диапазоне: мазер работает с микроволновым или радиодиапазоном, тогда как лазер обычно связан с оптическим излучением.
Поэтому выражение «космический радиолазер» является образным описанием процесса. Речь идёт не об обычном оптическом лазере, а о природном источнике интенсивного когерентного радиоизлучения.
ECMI встречается не только у звёзд
Электронно-циклотронная мазерная неустойчивость является распространённым механизмом в космической плазме.
Она связана с радиоизлучением некоторых планет и их магнитосфер, а также наблюдается вблизи звёзд. В Солнечной системе особенно известен пример Юпитера и Ио.
Подобные процессы имеют отношение и к полярным сияниям Земли. Таким образом, механизм, который исследователи обнаружили в двойной звёздной системе, относится к достаточно широкому классу плазменных явлений.
Новизна заключается в том, что теперь его удалось подробно смоделировать применительно к определённому типу взаимодействующих двойных звёзд.
Почему импульсы кажутся периодическими
Радиомазер может работать постоянно
На первый взгляд последовательность отдельных всплесков может означать, что источник регулярно включается и выключается. Однако полученная модель предлагает другое объяснение.
Механизм генерации радиоизлучения может работать постоянно. Наблюдатель видит сигнал только тогда, когда направленный радиоимпульс проходит через его линию зрения.
Иными словами, источник не обязательно должен периодически прекращать излучение. Геометрия системы сам