Космический «вампир»: как белый карлик превращается в нейтронную звезду — и почему это происходит лишь при особых условиях

Когда звёзды размером с наше Солнце умирают, они оставляют после себя мощные звёздные остатки, называемые белыми карликами. А эти белые карлики могут превращаться в ещё более экстремальные объекты — нейтронные звёзды, состоящие из самого плотного материала во Вселенной. Однако учёные обнаружили, что для такого серьёзного преображения условия должны быть «в самый раз». Это можно представить как космическую ситуацию «Златовласки».

Как выясняется, белый карлик должен питаться веществом звезды-компаньона, словно космический вампир.

Нейтронные звёзды и белые карлики оба рождаются, когда звёзды исчерпывают запасы топлива, необходимого для ядерного синтеза в их ядрах, но разница между ними заключается в их массах.

Звёзды с массой, близкой к массе Солнца, заканчивают свою жизнь, когда в их ядрах заканчивается водород. Это останавливает процесс ядерного синтеза — превращения водорода в гелий — что приводит к коллапсу звезды и сбросу внешних слоёв: остаётся белый карлик с массой около солнечной, сжатой до размеров Земли.

Когда звёзды с массой примерно в восемь раз больше солнечной коллапсируют после исчерпания водорода в ядрах, они создают достаточное давление и heat в этих ядрах, чтобы синтезировать образовавшийся гелий в ещё более тяжёлые элементы. Этот процесс заканчивается только тогда, когда звезда приобретает ядро из железа. Финальный коллапс приводит к взрыву сверхновой и созданию нейтронной звезды с массой от одной до двух солнечных. Это обычный путь формирования нейтронных звёзд.

Однако что, если существует мост между сценарием белого карлика и сценарием нейтронной звезды? Учёные давно подозревали, что путь от белого карлика к нейтронной звезде действительно существует. Новая работа описывает этот путь, называя его коллапсом, вызванным аккрецией (AIC).

«При AIC прародителем уже является звёздный остаток, а триггером служит не его собственная эволюция, а материал, переданный ему компаньоном», — рассказал руководитель команды Лауренц Тюммлер из ETH Zurich.

Исследователь добавил, что AIC начинается со звёздного остатка в форме белого карлика, тогда как традиционный путь к рождению нейтронной звезды начинается с массивной «живой» звезды. Тем не менее при AIC коллапс перекормленного белого карлика продолжается в целом сходно с коллапсом массивной звезды, создающей нейтронную звезду.

Как объясняет Тюммлер, в обоих случаях процесс создания нейтронной звезды включает имплозию ядра массивной звезды и быстрые частицы, называемые «нейтрино», которые уносят энергию от события. Однако важное отличие в «стандартном» сценарии коллапса массивной звезды состоит в том, что последующий коллапс ядра, сверхновая и рождение нейтронной звезды происходят внутри толстой оболочки материала, выброшенного во время предсмертных судорог массивной звезды. При AIC же эта толстая оболочка вещества отсутствует.

«Ожидается, что AIC будет тусклым и быстрым, и поэтому выбрасывается так мало вещества по сравнению с обычной сверхновой. Не все белые карлики могут подвергнуться AIC, и это essential point».

Что читать дальше

Хотя AIC теоретизировались годами, Тюммлер и команда хотели узнать, какие характеристики нужны белому карлику для такого превращения. Они занялись исследованием этого с помощью трёхмерных симуляций.

Важно то, что внутри

Большинство белых карликов состоят из углерода и кислорода. Однако некоторые звёзды коллапсируют, образуя белый карлик из кислорода, неона и магния. Это происходит лишь для узкого диапазона звёздных масс, а значит, такой состав представляет меньшинство population белых карликов.

Когда углеродно-кислородные белые карлики перекармливаются звёздным материалом от компаньона или звезды-донора, они в конечном итоге достигают так называемого предела Чандрасекара, обычно около 1,4 солнечной массы. Выше этого предела они могут стать сверхновой. Однако в результате этих сверхновых «типа 1a» они не становятся нейтронными звёздами, а скорее полностью разрушаются. Кислородно-неоново-магниевые белые карлики могут избежать этого разрушения благодаря своей высокой плотности.

«Они обычно рождаются более массивными и плотными, чем углеродно-кислородные белые карлики, и поэтому требуют меньше дополнительной массы, чтобы приблизиться к пределу Чандрасекара», — сказал Тюммлер.

Однако Тюммлер и коллеги обнаружили, что это не единственное условие, необходимое для провокации AIC. Белый карлик также не должен быть слишком жадным.

Команда обнаружила, что скорость аккреции, или скорость, с которой материал от звезды-донора падает на белый карлик, должна попадать в довольно узкое окно, чтобы AIC мог произойти.

«Если она слишком низкая, нововые извержения могут снова выбросить большую часть накопленного материала; если слишком высокая, ветры, расширение оболочки или взаимодействие в двойной системе могут помешать белому карлику достичь условий, необходимых для коллапса», — сказал Тюммлер. «Аккреция должна быть достаточно быстрой и достаточно steady, чтобы довести его туда, не вызвав взрывного горения по пути.

Когда эти условия выполняются, электроны захватываются ядрами неона и магния. Это устраняет давление, поддерживающее звезду, и коллапс следует».

Всё это означает, что AIC, как ожидается, будут редкими событиями, хотя скорость, с которой они происходят, остаётся весьма неопределённой.

Команда также обнаружила, что окружающая среда вокруг AIC несколько удивительна.

«Мы ожидали, что наиболее богатый нейтронами материал, производящий самые тяжёлые элементы, будет выходить вдоль оси вращения, поскольку именно там магнитогидродинамический отток наиболее силён», — сказал Тюммлер. «Это не так».

Вместо этого модели команды выявили, что богатый нейтронами материал emerges на средних широтах белых карликов, когда они превращаются в нейтронные звёзды. Это область, где оттоки вещества, driven интенсивными магнитными полями, сталкиваются с ветрами, нагретыми несущими энергию нейтрино.

Тюммлер объяснил, что это значимо, потому что означает, что эти события будут выглядеть по-разному в зависимости от угла, под которым их наблюдают.

Как заметить превращения белых карликов

Лауренц сказал, что эти AIC могли бы быть идентифицированы обсерваторией имени Веры Рубин и другими телескопами как яркое ультрафиолетовое и оптическое событие, длящееся два-три дня, потенциально сопровождаемое рентгеновским излучением и более длительным радиоизлучением.

Однако нейтронные звёзды, созданные такими событиями, может быть трудно отличить от звёздных остатков, рождённых традиционным путём.

«Ожидается, что они будут населять нижний конец распределения масс нейтронных звёзд, потому что коллапсирующий белый карлик имеет массу, близкую к пределу Чандрасекара, и выбрасывает относительно мало материала», — сказал Тюммлер. «Однако обычные каналы звёздного коллапса, особенно те, что involve маломассивные прародители, также могут производить нейтронные звёзды с массами примерно от 1,1 до 1,4 солнечной, так что одна лишь низкая масса не будет однозначно указывать на происхождение AIC».

Обсерватория имени Веры Рубин смотрит на Млечный Путь (Изображение: RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA/B. Quint)

Команда не закончила исследование AIC: Тюммлер объяснил, что есть два основных подхода к следующим шагам.

«Первый — сделать предсказанные кривые блеска более надёжными, отслеживая как радиоактивный нагрев, так и инжекцию энергии существенно более детально», — сказал Тюммлер. «Это требует различения энергии, переносимой гамма-лучами, которые могут вырваться относительно рано из маломассивных выбросов, от энергии, откладываемой более эффективно заряженными частицами, а также моделирования того, как ветер нейтронной звезды нагревает и ускоряет богатый тяжёлыми элементами материал».

Затем симуляции команды можно использовать для отслеживания расширения выбросов от AIC и расчёта того, как наблюдаемая кривая блеска и спектры зависят от угла обзора.

«Эта работа сейчас ведётся», — сказал Тюммлер. «Второе направление — проверить устойчивость геометрии взрыва, поскольку наши нынешние модели начинаются с относительно простой конфигурации магнитного поля, а более сложные или наклонённые поля могут производить иные угловые картины выбросов».

Исследование команды доступно для просмотра в виде препринта на сайте репозитория arXiv.

Источники и дополнительные материалы

Источник: Space.com — материал основан на исследовании команды Лауренца Тюммлера (ETH Zurich), опубликованном в виде препринта на arXiv.