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 сама создаёт эффект повторяющихся всплесков.
Поскольку звёзды обращаются друг вокруг друга, направление узко направленного радиоизлучения периодически меняется относительно удалённого наблюдателя. Когда луч оказывается направлен в сторону Земли, телескоп регистрирует мощный сигнал. Затем луч уходит в сторону, и сигнал исчезает.
Периодичность связана с орбитой двойной системы
Если два компонента системы совершают оборот друг вокруг друга примерно за два часа, характер повторения радиоимпульсов будет связан с этим движением.
Поэтому регулярность сигналов даёт астрономам важную информацию о самой системе. Изменения времени появления импульсов и их характеристик могут использоваться для изучения орбитального движения и взаимодействия между двумя объектами.
Такой источник фактически становится естественным космическим генератором радиоимпульсов, параметры которого определяются движением звёзд и их магнитными полями.
Что показало новое компьютерное моделирование
Исследователи смогли проследить процесс между звёздами
До нового исследования общий механизм уже предполагался, но оставались вопросы о том, как именно взаимодействие белого и красного карлика приводит к возникновению наблюдаемого радиоизлучения.
Для решения этой задачи исследователи использовали численные модели плазмы. Такие расчёты позволяют изучать поведение огромного количества заряженных частиц и электромагнитных полей, которое невозможно непосредственно наблюдать во всех деталях.
Моделирование показало последовательность процессов: орбитальное движение компонентов системы создаёт электрический ток, этот ток связан с движением электронов вдоль магнитного поля, а определённые условия движения частиц приводят к возникновению ECMI и усиленного радиоизлучения.
Таким образом, удалось связать макроскопическое движение двух звёзд с микроскопическим поведением электронов.
Модели предсказали поляризацию радиоизлучения
Одним из результатов моделирования стало предсказание характеристик поляризации радиоизлучения.
Поляризация описывает определённую ориентацию колебаний электромагнитного излучения. Для астрономов это важная характеристика, поскольку она позволяет получать информацию о магнитных полях и механизмах, создающих наблюдаемый сигнал.
Исследователи обнаружили, что радиоизлучение должно иметь характерную поляризацию. Это создаёт возможность проверять предложенный механизм не только по наличию периодических импульсов, но и по их физическим характеристикам.
Если будущие наблюдения подтвердят предсказанные свойства излучения, это станет дополнительным свидетельством в пользу предложенной модели.
Два конкретных объекта помогли проверить механизм
GLEAM-X J0704–37
Исследователи изучили механизм на примере известных систем «белый карлик — красный карлик», среди которых находится GLEAM-X J0704–37.
Для этой системы ранее уже было получено подтверждение того, что наблюдаемое радиоизлучение связано с электронно-циклотронной мазерной неустойчивостью.
В новой работе компьютерное моделирование позволило перейти от общего предположения к более подробному описанию происходящих процессов.
Система интересна тем, что её компоненты совершают полный оборот примерно за два часа. Такое быстрое орбитальное движение создаёт условия для регулярного взаимодействия красного карлика с магнитной областью белого карлика.
ILT J1101+5521
Вторым объектом, рассмотренным в исследовании, стала система ILT J1101+5521.
Сравнение нескольких систем важно для проверки того, насколько универсален предложенный механизм. Если одинаковая физическая схема может объяснить радиоизлучение разных двойных систем с белыми и красными карликами, это усиливает аргументы в пользу общей модели.
При этом сами системы могут отличаться конкретными параметрами, поэтому моделирование позволяет изучать, как изменение характеристик двойной системы влияет на наблюдаемый сигнал.
Чем эти системы отличаются от пульсаров
Источник импульсов имеет другую природу
Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звёзды, которые создают периодические импульсы электромагнитного излучения. Их сигналы могут повторяться за доли секунды или за несколько секунд.
У двойных систем с белым и красным карликами наблюдаемые периоды значительно длиннее — порядка нескольких минут между радиоимпульсами.
Главное различие заключается не только в продолжительности периода. У пульсара источник периодичности связан прежде всего с вращением самой компактной нейтронной звезды и ориентацией её магнитной оси относительно наблюдателя.
В системах белый карлик — красный карлик периодичность связана с орбитальным взаимодействием двух объектов и направленным радиоизлучением, возникающим в их общей магнитосфере.
Сходство всё же существует
Несмотря на различия, между двумя типами источников есть важная общая черта: наблюдатель может видеть периодические импульсы из-за направленности излучения.
В обоих случаях речь идёт не обязательно о простом периодическом включении и выключении источника. Геометрия магнитного поля и движения системы определяет, когда направленный поток радиоизлучения пересекает линию зрения.
Поэтому регулярные импульсы позволяют исследовать не только сам источник энергии, но и структуру магнитных полей вокруг компактных объектов.
Космический аналог системы Юпитер — Ио
Ио впервые подсказал похожий механизм
История этого исследования тесно связана с изучением Юпитера.
Радиоизлучение Юпитера наблюдали ещё с середины XX века. В 1955 году были обнаружены интенсивные радиоимпульсы, связанные с системой Юпитер — Ио.
Позднее стало понятно, что Ио движется через мощное магнитное поле Юпитера и тем самым участвует в создании электрического тока. Этот ток распространяется вдоль магнитных силовых линий и связан с генерацией радиоизлучения.
В 1969 году Питер Голдрайх и Дональд Линден-Белл предложили модель, объясняющую часть этого процесса. Их работа стала важной основой для дальнейшего понимания взаимодействия спутников и магнитосфер.
Теперь исследователи показывают, что аналогичный принцип может действовать в системе, где вместо планеты и спутника находятся две звезды.
Но звёздная система намного мощнее
Сходство механизма не означает полного физического тождества двух систем.
Юпитер и Ио являются планетой и спутником, а белый и красный карлики — двумя звёздами, находящимися на тесной орбите. Масштабы, магнитные поля, плотность плазмы и энергетика процессов различаются.
Однако фундаментальная идея остаётся похожей: один объект движется через магнитную среду другого, движение создаёт электрический ток, а взаимодействие заряженных частиц с магнитным полем приводит к радиоизлучению.
Это позволяет использовать хорошо изученную систему Юпитер — Ио как физическую аналогию для более экстремальных процессов в двойных звёздах.
Почему белый карлик играет особую роль
Сильное магнитное поле создаёт условия для процесса
В рассматриваемых системах магнитное поле белого карлика является ключевым элементом механизма. Именно оно создаёт среду, в которой движется второй компонент и распространяются заряженные частицы.
Магнитные силовые линии связывают различные области пространства вокруг звезды. Заряженные частицы могут двигаться вдоль этих линий, а их поведение определяется характеристиками магнитного поля.
При подходящих условиях это приводит к развитию ECMI и усилению радиоизлучения.
Компактность белого карлика усиливает необычность системы
Белый карлик имеет очень малый размер по сравнению с обычной звездой, но при этом содержит значительную массу. Это приводит к экстремальной плотности вещества.
В двойной системе такой компактный объект может обладать магнитным полем, которое оказывает существенное влияние на окружающую плазму.
Красный карлик, находящийся на тесной орбите, фактически взаимодействует с магнитосферой белого карлика. Поэтому орбитальное движение двух объектов непосредственно связано с электромагнитными процессами вокруг системы.
Почему открытие важно для радиоастрономии
Радиосигнал позволяет изучать невидимые магнитные поля
Магнитные поля нельзя непосредственно увидеть обычным телескопом. Однако их присутствие влияет на заряженные частицы и создаваемое ими электромагнитное излучение.
Поэтому радиоастрономические наблюдения дают возможность косвенно исследовать магнитную структуру далёких объектов.
Если известно, как именно возникает радиоизлучение, по характеристикам сигнала можно делать выводы о магнитном поле, движении плазмы и взаимодействии компонентов двойной системы.
Новая модель помогает связывать наблюдения с физикой
До разработки подробной модели астрономы могли фиксировать периодические радиоимпульсы и связывать их с определённым типом двойных систем. Но одно наблюдение сигнала не даёт полного ответа на вопрос о механизме его генерации.
Численное моделирование позволяет проследить цепочку событий от движения звёзд до появления радиоизлучения.
Это особенно важно для редких объектов, которые находятся на огромных расстояниях и недоступны непосредственному исследованию. В таких случаях теория и наблюдения должны дополнять друг друга.
Механизм оказался эффективнее, чем считалось
Одним из наиболее существенных результатов исследования стало то, что моделирование показало значительно более высокую эффективность электронно-циклотронной мазерной неустойчивости, чем предполагалось ранее.
Согласно расчётам исследователей, механизм может быть примерно в десять раз эффективнее прежних оценок.
Это означает, что определённые условия в магнитосфере двойной системы способны преобразовывать доступную энергию в радиоизлучение более эффективно, чем считалось в предыдущих моделях.
Такой результат имеет значение для интерпретации наблюдаемых радиоисточников. Если механизм действительно настолько эффективен, он может объяснять яркость некоторых сигналов без необходимости привлекать дополнительные источники энергии.
Что ещё предстоит выяснить
Несмотря на подробную модель, исследование не означает, что все долгопериодические радиоисточники уже полностью объяснены.
Известно лишь несколько подобных систем, и для уверенного понимания класса объектов необходимо больше наблюдений. Важно определить, насколько распространены тесные двойные системы с белым и красным карликом, способные создавать такие сигналы.
Также необходимо сравнивать наблюдаемые характеристики разных источников: периоды импульсов, интенсивность радиоизлучения, поляризацию и изменения сигнала со временем.
Чем больше подобных объектов будет обнаружено, тем лучше станет понятно, какие условия необходимы для запуска ECMI и насколько часто этот механизм работает в природе.
Почему открытие интересно не только для изучения звёзд
Новый результат показывает более общий принцип современной астрофизики: одинаковые физические процессы могут проявляться в объектах совершенно разных масштабов.
Электрический ток, возникающий при движении одного объекта через магнитное поле другого, известен в системе Юпитер — Ио. Теперь похожий принцип используется для объяснения радиоизлучения в тесных двойных звёздах, где взаимодействуют белый и красный карлики.
Разница между этими системами огромна, но фундаментальные законы электромагнетизма остаются одинаковыми.
Именно поэтому наблюдения далёких звёзд могут помогать проверять физические механизмы, которые изучаются и в нашей Солнечной системе.
Двойные звёзды превратились в природные радиогенераторы
Исследование белых и красных карликов показывает, что тесная двойная система способна превращать собственное орбитальное движение в мощный источник направленного радиоизлучения.
Звёзды обращаются друг вокруг друга, движение в магнитном поле создаёт электрический ток, ток обеспечивает энергией электронно-циклотронную мазерную неустойчивость, а она порождает интенсивный радиосигнал. Наблюдатель воспринимает этот процесс как регулярную последовательность импульсов, хотя сам механизм генерации излучения может работать постоянно.
Компьютерные модели позволили впервые подробно проследить эту цепочку для рассматриваемого класса двойных систем и показали, что механизм способен работать примерно в десять раз эффективнее прежних оценок.
Результат одновременно связывает несколько областей астрофизики — физику белых карликов, плазменные процессы, магнитосферы и радиоастрономию. Он также показывает, что механизм, известный по взаимодействию Юпитера и Ио, не является уникальным свойством планетных систем.
В далёких двойных звёздах действует тот же фундаментальный принцип, но в совершенно иных условиях. Орбитальное движение двух звёзд становится источником электрического тока, а магнитное поле превращает энергию этого взаимодействия в узко направленные радиоимпульсы, которые способны достигать Земли с огромных расстояний.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
