Астрономы получили важную подсказку о природе одного из самых необычных классов космических радиоисточников. Речь идёт о так называемых долгопериодических радиотранзиентах — объектах, которые регулярно испускают короткие, сильно поляризованные и когерентные радиоимпульсы с интервалами от нескольких минут до нескольких часов.
Такие сигналы известны уже около двух десятилетий, однако их происхождение долго оставалось неясным. По характеру радиоизлучения они напоминали пульсары, но наблюдаемые периоды были слишком большими, а некоторые особенности сигналов плохо соответствовали обычной картине вращающейся нейтронной звезды.
Теперь исследователи получили убедительные доказательства того, что по крайней мере один из таких объектов представляет собой катаклизмическую переменную — тесную двойную систему, в которой сильно намагниченный белый карлик перетягивает вещество со звезды-компаньона. Новый объект получил обозначение ASKAP J174508.9-505149, сокращённо J17.
Наблюдения показали, что его радио- и рентгеновское излучение связано с орбитальным движением двух звёзд. При этом два вида излучения возникают в разных областях системы. Радиоимпульсы связаны с взаимодействием магнитных полей и плазмы, а рентгеновское излучение возникает из-за нагрева вещества, падающего на поверхность белого карлика.
Что такое долгопериодические радиотранзиенты
Долгопериодические радиотранзиенты, или LPT, представляют собой необычный класс радиоисточников внутри Млечного Пути. Их главная особенность — повторяющиеся радиоимпульсы, которые приходят через относительно большие промежутки времени.
В зависимости от объекта период повторения может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Для радиоастрономии это необычно, поскольку многие известные быстро меняющиеся источники имеют значительно более короткие характерные периоды.
Сигналы LPT обладают ещё двумя важными особенностями. Они являются сильно поляризованными и когерентными. Такие характеристики указывают на процессы, происходящие в упорядоченных магнитных полях и плазме, а не на обычное тепловое излучение звезды.
Первые признаки подобных объектов появились ещё в 2005 году. С тех пор астрономы обнаружили примерно десяток долгопериодических радиотранзиентов, однако долгое время не могли уверенно определить, какие именно космические объекты создают эти сигналы.
Почему LPT сравнивали с пульсарами
Повторяющиеся радиоимпульсы естественным образом напоминали астрономам пульсары. Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звёзды, испускающие направленные потоки электромагнитного излучения. Когда такой поток периодически пересекает направление на Землю, наблюдатель регистрирует повторяющиеся импульсы.
Однако у долгопериодических радиотранзиентов возникла проблема. Их периоды слишком велики для простой интерпретации в качестве обычных быстро вращающихся пульсаров.
Кроме того, некоторые LPT демонстрируют особенности, которые гораздо лучше объясняются взаимодействием двух звёзд, чем вращением одиночного компактного объекта.
Поэтому среди возможных объяснений рассматривались разные варианты. Одним из них были медленно вращающиеся магнетары, другим — системы с белыми карликами, взаимодействующими с компаньонами. Новые наблюдения J17 существенно усилили вторую гипотезу.
Новый объект J17 дал ключ к разгадке
ASKAP J174508.9-505149 был обнаружен как новый долгопериодический радиотранзиент. Его период обращения составляет примерно 1,3 часа, то есть две звезды системы находятся очень близко друг к другу и совершают полный оборот за немного больше часа.
Для астрономов особенно важным оказалось то, что у объекта одновременно наблюдались радио- и рентгеновские изменения, связанные с орбитальной фазой системы.
Это позволило не просто зарегистрировать очередной повторяющийся радиосигнал, а сопоставить его с конкретной двойной системой и её физическими процессами.
Наблюдения также выявили необычное поведение радиоимпульсов. Их частота могла постепенно смещаться вверх и вниз, а само радиоизлучение временами полностью исчезало на несколько часов. Эти особенности стали дополнительными подсказками о механизме формирования сигнала.
Система состоит из белого и красного карликов
J17 представляет собой тесную двойную систему. Один её компонент — белый карлик, второй — красный карлик, передающий ему вещество.
Белый карлик имеет размеры примерно с Землю, но его масса сопоставима с массой Солнца. Это означает чрезвычайно высокую плотность вещества: масса звезды, сравнимая с солнечной, сосредоточена в объекте планетного размера.
Красный карлик значительно меньше Солнца по массе. В рассматриваемой системе его масса оценивается примерно в одну десятую солнечной.
Обе звезды находятся настолько близко друг к другу, что вещество красного карлика постепенно перетекает к белому карлику. Именно этот процесс аккреции становится одним из ключевых элементов физики системы.
Белый карлик активно забирает вещество у компаньона
Катаклизмические переменные — это двойные звёздные системы, в которых один компонент является компактным белым карликом, а второй отдаёт ему вещество.
Материал красного карлика не просто исчезает. Под воздействием гравитации он начинает перемещаться к гораздо более массивному белому карлику. Часть вещества оказывается на поверхности белого карлика.
При падении вещество разогревается. Именно этот процесс отвечает за рентгеновскую составляющую излучения J17.
Но радиоимпульсы имеют другое происхождение. Наблюдения показали, что радиоизлучение не возникает непосредственно в той же области, где нагревается падающее вещество. Его связывают с взаимодействием магнитных полей двух звёзд и окружающей их плазмы.
Почему аккреция не превращает систему в сверхновую
Тесные двойные системы с белыми карликами могут иметь совершенно разную судьбу.
Если белый карлик постепенно накапливает вещество от компаньона, при определённых условиях система может стать предшественником сверхновой типа Ia. В таком сценарии белый карлик накапливает достаточно вещества, после чего происходит катастрофический термоядерный взрыв.
Однако наличие аккреции само по себе не означает, что каждый белый карлик в двойной системе обязательно станет сверхновой.
Катаклизмические переменные представляют собой отдельный класс систем, в которых аккреция происходит, но наблюдаемая система не обязана завершать свою эволюцию взрывом типа Ia. Поэтому J17 рассматривается прежде всего как аккрецирующая магнитная двойная система, ответственная за наблюдаемые радио- и рентгеновские сигналы.
Радиоимпульсы возникают из-за магнитных полей
Одним из важнейших результатов исследования стало разделение источников радио- и рентгеновского излучения.
Рентгеновские лучи возникают в результате нагрева вещества, которое красный карлик передаёт белому карлику. Но радиоимпульсы формируются в другом месте и связаны с взаимодействием магнитных полей и плазмы.
Белый карлик в J17 обладает сильным магнитным полем. Когда магнитное поле компактной звезды взаимодействует с веществом и магнитным полем её компаньона, возникают условия для ускорения заряженных частиц и формирования когерентного радиоизлучения.
При этом параметры окружающей плазмы постоянно меняются. Различия в плотности плазмы и характере взаимодействия магнитных полей могут объяснять, почему радиоимпульсы иногда становятся сильнее, меняют форму или полностью исчезают на несколько часов.
Радиосигнал и рентгеновское излучение не совпадают по времени
Особенно информативным оказалось то, что максимумы радио- и рентгеновского излучения не происходят одновременно.
Если бы оба сигнала возникали в одном и том же физическом процессе и в одной области системы, их изменения могли бы иметь более тесную связь.
Наблюдаемое расхождение указывает на то, что разные виды излучения формируются в разных частях двойной системы. Рентгеновское излучение связано с аккрецией и нагревом вещества на белом карлике, тогда как радиоизлучение связано с магнитным взаимодействием и плазмой.
Таким образом, временная структура сигналов стала одним из ключей к восстановлению устройства J17.
Пульсации J17 связаны не с вращением, а с орбитой
Это один из наиболее важных моментов для понимания открытия.
В пульсаре периодические импульсы связаны прежде всего с вращением нейтронной звезды. Звезда вращается, а её магнитные и радиационные структуры периодически направляются в сторону наблюдателя.
В случае J17 ситуация иная. Исследователи считают, что периодические изменения связаны с орбитальным движением двойной системы.
Две звезды обращаются друг вокруг друга примерно за 80 минут. Поскольку оба объекта очень компактны и находятся чрезвычайно близко, их магнитные поля и окружающая плазма постоянно взаимодействуют. При изменении положения звёзд относительно друг друга изменяются и условия формирования наблюдаемого радиоизлучения.
Почему период около 80 минут оказался важным
Полный оборот за немногим более часа требует очень тесной конфигурации. Две звезды должны находиться на небольшом расстоянии друг от друга, иначе их орбитальное движение происходило бы значительно медленнее.
Именно такая тесная система естественным образом создаёт условия для перетекания вещества с красного карлика на белый.
В результате сразу несколько наблюдаемых свойств оказываются связанными между собой: короткий орбитальный период, аккреция, рентгеновское излучение, сильное магнитное поле и периодические радиоимпульсы.
Это существенно сильнее поддерживает модель двойной системы, чем простое обнаружение повторяющегося радиоисточника без информации о его компаньоне.
Почему сигнал иногда исчезает на несколько часов
Одной из необычных особенностей J17 является прерывистость радиоизлучения.
Радиосигнал не просто регулярно повторяется с одинаковой интенсивностью. Иногда он полностью исчезает на несколько часов, после чего снова появляется.
Исследователи связывают это поведение с изменениями локальной плазмы и магнитного поля. Условия вокруг белого карлика и его компаньона не остаются неизменными. Плотность вещества и конфигурация магнитных полей могут изменяться, что влияет на способность системы формировать и распространять когерентные радиоимпульсы.
Это наблюдение особенно важно потому, что помогает отличить J17 от более простых периодических источников. Сигнал не является идеально стабильным «маяком». Его характеристики зависят от состояния всей взаимодействующей системы.
Частота импульсов тоже меняется
Исследователи обнаружили не только изменения интенсивности радиоизлучения. Частоты импульсов также могли постепенно смещаться вверх и вниз в течение более длительного периода.
Такое поведение указывает на дополнительный цикл изменений, который накладывается на основной орбитальный период.
Причина этих изменений ещё не установлена с полной определённостью. В исследовании предполагается, что они могут быть связаны с более длительным периодом биений — взаимодействием нескольких близких периодических процессов в системе.
Именно такие детали помогают исследователям постепенно отделять различные физические процессы, происходящие внутри двойной системы.
Что означает сильная поляризация радиоизлучения
Радиосигналы LPT отличаются не только повторяемостью, но и сильной поляризацией.
Поляризация характеризует ориентацию колебаний электромагнитной волны. Для излучения, связанного с магнитными полями и движением заряженных частиц, поляризация может содержать важную информацию о структуре магнитного поля и механизме генерации сигнала.
В случае J17 радиоимпульсы имеют эллиптическую поляризацию. Вместе с когерентностью и периодичностью это указывает на организованный физический процесс, а не на случайные изменения яркости обычной звезды.
Наблюдаемые свойства согласуются с механизмом, в котором магнитные поля взаимодействуют с плазмой и создают когерентное радиоизлучение.
Чем J17 отличается от обычного пульсара
Сходство LPT с пульсарами действительно существует: оба класса объектов могут создавать повторяющиеся радиоимпульсы с высокой степенью упорядоченности.
Но физические системы принципиально различаются.
Пульсар представляет собой нейтронную звезду — чрезвычайно плотный остаток массивной звезды. Его периодические сигналы связаны с вращением и магнитным полем компактного объекта.
J17 состоит из двух звёзд, одна из которых является белым карликом, а другая — красным карликом. В данном случае наблюдаемая периодичность связана прежде всего с орбитальным движением двойной системы и взаимодействием её магнитных полей.
Таким образом, одинаковый внешний признак — регулярные радиоимпульсы — может возникать в совершенно разных астрофизических системах.
Новое открытие не объясняет все долгопериодические радиотранзиенты
Это принципиальное ограничение результата.
Исследователи установили происхождение конкретного объекта J17 и получили сильные доказательства того, что аккрецирующие катаклизмические переменные составляют как минимум часть популяции LPT.
Но из этого не следует, что все известные долгопериодические радиотранзиенты имеют одинаковую природу.
К настоящему времени известно примерно десяток таких объектов, и они не обязательно обладают полностью одинаковыми свойствами. Некоторые из них могут быть связаны с белыми карликами, а другие — с совершенно другими типами компактных объектов.
Поэтому следующий вопрос заключается в том, насколько широко механизм, обнаруженный в J17, распространён среди всей популяции LPT. Для ответа потребуются новые наблюдения и детальное моделирование.
J17 стал своеобразным эталонным объектом
Даже если окажется, что катаклизмические переменные объясняют только часть LPT, J17 всё равно имеет большое значение.
Теперь у исследователей есть объект, для которого одновременно наблюдаются двойная система, аккреция, рентгеновское излучение и периодические радиоимпульсы.
Это позволяет сравнивать другие долгопериодические радиотранзиенты с J17. Если у них обнаружатся похожие характеристики, можно будет предположить сходный механизм. Если же свойства будут существенно отличаться, это станет аргументом в пользу других типов источников.
Иными словами, изучение одного хорошо понятого объекта помогает классифицировать целый класс ранее загадочных источников.
Почему открытие важно для изучения белых карликов
Белые карлики являются конечной стадией эволюции большинства звёзд небольшой и средней массы. Они очень компактны и обладают огромной плотностью, но не поддерживают термоядерное горение, как обычные звёзды главной последовательности.
Когда белый карлик находится в тесной двойной системе, его физические свойства могут проявляться особенно ярко. Вещество компаньона попадает в сильное гравитационное поле, нагревается и взаимодействует с магнитным полем компактного объекта.
J17 даёт возможность наблюдать сразу несколько проявлений этих процессов.
Система становится естественной лабораторией, где можно исследовать поведение вещества в сильном гравитационном поле и магнитном окружении. Такие условия трудно воспроизвести на Земле, поэтому астрофизические наблюдения дают уникальную возможность проверять физические модели экстремальной материи.
Радио и рентгеновские наблюдения дополняют друг друга
Одной из сильных сторон исследования стало использование разных диапазонов электромагнитного излучения.
Радиотелескопы регистрируют импульсы, связанные с магнитными полями и плазмой. Рентгеновские наблюдения позволяют отслеживать горячее вещество, возникающее в процессе аккреции.
Если изучать только радиоизлучение, можно установить периодичность сигнала, но гораздо сложнее определить физическую структуру источника.
Рентгеновские данные добавляют информацию о другом процессе. Сопоставление двух наборов наблюдений показало, что их максимумы не совпадают и что они связаны с разными областями системы.
Такой многоволновой подход позволил связать наблюдаемый радиоисточник с конкретным физическим механизмом.
Наблюдения позволили увидеть аккрецию в действии
До этого существовали указания на то, что некоторые LPT могут быть связаны с двойными системами. Однако в случае J17 исследователи получили значительно более полную картину.
Они смогли связать периодические изменения с орбитальным движением и одновременно наблюдать признаки аккреции вещества на белый карлик.
Именно наличие этих признаков делает результат особенно важным. Это уже не просто предположение о том, какой объект может находиться в центре радиоисточника, а наблюдаемая система, в которой происходят необходимые физические процессы.
Открытие помогает понять, как возникают необычные радиоисточники
Долгопериодические радиотранзиенты представляют особый интерес потому, что находятся на пересечении нескольких областей астрофизики.
Здесь одновременно важны физика компактных звёзд, магнитные поля, аккреция, плазма и радиоизлучение. Каждый из этих процессов хорошо изучается сам по себе, но их сочетание в одной системе создаёт гораздо более сложную картину.
J17 показывает, что мощное когерентное радиоизлучение может возникать в системе, где главным двигателем процесса является взаимодействие двух звёзд, а не вращение одиночной нейтронной звезды.
Это расширяет представление о возможных механизмах генерации повторяющихся радиоимпульсов.
Что предстоит выяснить
Главная задача дальнейших исследований — определить, какую долю всей популяции LPT составляют катаклизмические переменные.
Для этого необходимо обнаружить больше подобных объектов и подробно изучить их свойства. Особенно важны длительные наблюдения, которые позволят определить орбитальные периоды, характер радиоимпульсов, наличие рентгеновского излучения и особенности его изменения во времени.
Необходимо также разработать более подробные модели магнитных полей и плазмы в таких системах. Они должны объяснить, почему радиоизлучение иногда исчезает, почему его частота меняется и каким образом формируется наблюдаемая поляризация.
Пока исследователи не могут утверждать, что один механизм объясняет все долгопериодические радиотранзиенты. Для этого потребуется гораздо больше наблюдений и сравнений между различными объектами.
Загадка LPT стала немного понятнее
Долгопериодические радиотранзиенты несколько лет оставались одним из необычных классов радиоисточников, для которых было известно гораздо больше о самом сигнале, чем о его источнике.
Теперь ситуация изменилась. Объект ASKAP J174508.9-505149 показал, что по крайней мере один LPT связан с тесной двойной системой, состоящей из сильно намагниченного белого карлика и красного карлика. Они обращаются друг вокруг друга примерно за 80 минут, при этом вещество красного карлика перетекает на белый карлик.
Аккреция создаёт горячую область, ответственную за рентгеновское излучение, а взаимодействие магнитных полей и плазмы формирует когерентные радиоимпульсы. Их периодичность связана с орбитальным движением системы, а не просто с вращением компактной звезды. Временное расхождение радио- и рентгеновских максимумов дополнительно показывает, что эти сигналы возникают в разных областях двойной системы.
Это открытие не разгадало природу всех LPT, но дало астрономам важную точку отсчёта. Теперь другие долгопериодические радиотранзиенты можно сравнивать с J17 и проверять, насколько распространён механизм, обнаруженный в этой системе.
Возможно, дальнейшие наблюдения покажут, что катаклизмические переменные являются основным источником таких сигналов. Возможно, окажется, что LPT объединяют несколько разных типов космических объектов. В любом случае J17 впервые позволил связать загадочные периодические радиоимпульсы с конкретной системой, в которой можно непосредственно изучать взаимодействие белого карлика, звезды-компаньона, вещества и магнитных полей.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
