Вокруг белого карлика RXJ0528+2838 астрономы зафиксировали мощную ударную волну, происхождение которой невозможно объяснить с помощью известных науке механизмов. У этого звездного остатка отсутствует аккреционный диск, который обычно и порождает подобные выбросы, но окружающая его структура держится как минимум тысячу лет. О том, что удалось выяснить об этой необычной звездной системе и какой «скрытый двигатель» способен питать загадочный выброс, — в материале «Известий».

Волна, которой не должно быть

Покидающие звезды газ и пыль способны сталкиваться с межзвездным веществом, формируя ударные волны. Такие структуры появляются тогда, когда поток частиц, несущийся на большой скорости, сжимает и разогревает газ вокруг.

Но ударная волна, найденная возле RXJ0528+2838, озадачила астрономов. Известные характеристики системы говорили о том, что столь мощного и долгого выброса она выдавать не может.

«Мы обнаружили нечто, чего никогда раньше не видели, и, что еще важнее, совершенно неожиданное», — заявил один из руководителей исследования, доцент Даремского университета Симоне Скаринджи.

Как отметил второй руководитель исследования, научный сотрудник Астрономического центра имени Николая Коперника Кристиан Илкевич, наблюдения показали наличие сильного потока вещества, которого, если исходить из современных представлений, в данной системе не должно существовать.

Странный объект удален от Земли примерно на 730 световых лет. Он перемещается по Млечному Пути и вступает во взаимодействие с газом, расположенным между звездами. В результате перед системой появляется дугообразная зона сжатого вещества — головная ударная волна.

Научный сотрудник Уорикского университета Ноэль Кастро Сегура уподобил ее волне, что поднимается перед носом корабля, идущего по воде. В космическом пространстве аналогичная дуга формируется перед объектом, который движется сквозь межзвездную среду и при этом выбрасывает вещество.

Однако одного лишь движения звезды для появления подобной структуры мало. Нужен стабильный поток вещества или энергии, который мог бы влиять на окружающий газ. Для RXJ0528+2838 источник такого потока пока определить не получилось.

Что осталось от звезды

RXJ0528+2838 — это белый карлик, то есть компактное ядро звезды небольшой или средней массы, которая израсходовала основное ядерное топливо и отбросила внешние оболочки. По размерам белые карлики сравнимы с Землей, однако внутри них может заключаться значительная доля массы Солнца. Обычные термоядерные реакции в них уже не идут, поэтому подобные объекты медленно остывают. Именно по этой причине их часто именуют «мертвыми» звездами.

Тем не менее RXJ0528+2838 не одинок. Он является частью тесной двойной системы и перетягивает на себя вещество звезды-компаньона. Такие объекты принято называть катаклизмическими переменными.

В большинстве систем такого типа перетекающий газ не сразу оказывается на поверхности белого карлика. Из-за орбитального движения вещество закручивается, формируя аккреционный диск — стремительно вращающуюся структуру из нагретого газа.

Постепенно вещество из диска подходит ближе к белому карлику и оседает на его поверхности. Часть материала при этом способна вновь уйти в космос в форме ветра или направленных потоков. При столкновении с межзвездным газом такой поток может создать головную ударную волну.

До выхода исследования науке были известны всего шесть аккрецирующих белых карликов с головными ударными волнами, которые связаны с ветрами их дисков, а не появились в результате термоядерного взрыва. RXJ0528+2838 отличается от них принципиально: диск у него так и не нашли.

Диск исчез из привычной схемы

То, что аккреционного диска нет, отсекает самое очевидное объяснение источника выброса. Без диска не может быть и ветра, который подпитывал бы наблюдаемую структуру.

«То, что предположительно спокойная система без диска способна создавать настолько впечатляющую туманность, стало одним из тех редких моментов, когда остается только сказать: "Вот это да"», — отметил Скаринджи.

Чтобы проверить иные версии, исследователи проанализировали ряд известных механизмов. В частности, ударная волна могла быть следом термоядерного взрыва, произошедшего ранее на поверхности белого карлика.

Подобное событие случается, когда белый карлик собирает достаточно вещества от звезды-компаньона. Газ становится плотнее и разогревается, после чего на поверхности запускается неуправляемая термоядерная реакция. Происходит вспышка новой, а выброшенный материал образует расширяющуюся оболочку.

Но форма, положение и физические характеристики структуры возле RXJ0528+2838 не соответствовали остатку такого взрыва. Кроме того, ученые не обнаружили свидетельств того, что ударную волну порождает интенсивный звездный ветер звезды-компаньона.

Так авторы отсекли все главные механизмы, которыми обычно объясняют появление подобных структур возле аккрецирующих белых карликов: ветер аккреционного диска, поток вещества от второй звезды и последствия термоядерной вспышки.

Дугу разложили по цветам

Необычную туманность впервые увидели на снимках, сделанных телескопом имени Исаака Ньютона в Испании. Ее странная форма заставила исследователей перейти к более детальным наблюдениям.

С этой целью ученые задействовали спектрограф MUSE, который установлен на Очень большом телескопе ESO в Чили. Этот инструмент дает возможность одновременно получать изображение объекта и разбирать спектр света в каждой точке наблюдаемой области.

С помощью MUSE астрономы построили детальную карту ударной волны и изучили ее химический состав. На снимке, опубликованном ESO, водород показан красным, азот — зеленым, а кислород — синим.

Наблюдения подтвердили, что структура действительно связана с RXJ0528+2838. Это не туманность, случайно оказавшаяся на том же участке неба, и не отдельное облако межзвездного вещества.

«Наблюдения с помощью MUSE позволили подробно нанести ударную волну на карту и проанализировать ее состав. Это было необходимо, чтобы подтвердить связь структуры с двойной системой», — объяснил Илкевич.

Кроме того, исследователи привлекли сведения о движении объекта и данные других обсерваторий — как наземных, так и космических. Сопоставление результатов продемонстрировало, что дуга ориентирована согласно перемещению двойной системы сквозь межзвездную среду.

Магнитное поле заменило аккреционный диск

Чрезвычайно сильное магнитное поле стало одной из ключевых особенностей RXJ0528+2838. По оценке авторов работы, его напряженность равна примерно 42–45 мегагаусс, то есть 42–45 млн гаусс.

Из-за столь сильного поля система принадлежит к полярам — разновидности катаклизмических переменных, у которых белые карлики обладают мощной намагниченностью. В таких объектах магнитное поле может полностью перестроить движение вещества, поступающего от компаньона.

Газ не успевает создать обычный аккреционный диск. Вместо этого поле подхватывает поток и ведет его по магнитным силовым линиям прямо к полюсам белого карлика. Когда вещество падает, выделяется энергия, а зона рядом с поверхностью звезды сильно разогревается.

Этот механизм объясняет, почему у RXJ0528+2838 отсутствует диск, хотя передача вещества между компонентами системы продолжается. Однако он не дает ответа на основной вопрос — откуда берется столь мощный и долгоживущий поток, который формирует ударную волну.

«Наше открытие показывает, что даже без диска такие системы могут создавать мощные выбросы посредством механизма, которого мы пока не понимаем», — сказал Илкевич.

Как он отметил, полученные результаты заставляют усомниться в стандартной картине движения и взаимодействия вещества в тесных двойных системах с магнитными белыми карликами.

Выброс продолжался не менее тысячи лет

По размерам и форме головной ударной волны удалось оценить, как долго она существует. Расчеты говорят о том, что структура держится уже свыше тысячи лет. Это отсекает вариант короткого единичного выброса. Чтобы возникла наблюдаемая дуга, система должна долго передавать энергию окружающему веществу.

Ударной волне нужно примерно втрое больше энергии, чем, если следовать модели, выделяется при падении вещества на белый карлик. Значит, одной аккреции для объяснения наблюдений мало.

Проблема не только в мощности, но и в том, как долго длится процесс. Современное магнитное поле белого карлика, по оценке ESO, поддерживало бы такой выброс лишь несколько сотен лет. А ударная волна существует как минимум тысячу лет. Поэтому магнитное поле может быть частью объяснения, но само по себе оно пока не покрывает нехватку энергии.

В поисках скрытого двигателя

Исследователи выдвинули предположение, что в системе работает прежде неизвестный механизм передачи или потери энергии, связанный с магнитной активностью. Скаринджи условно назвал его «таинственным двигателем». Речь не обязательно идет об отдельном физическом объекте. Этим выражением обозначают процесс, способный тысячелетие поддерживать выброс и снабжать его энергией.

В числе возможных направлений для дальнейших исследований — сложное взаимодействие магнитного поля с потоком вещества, вращением белого карлика и орбитальным движением компонентов системы. Авторы не заявляют, что магнитная природа механизма уже доказана. Пока она остается самой вероятной подсказкой, ведь именно сильное поле отличает RXJ0528+2838 от многих других аккрецирующих белых карликов и мешает формированию диска.

При этом в статье не идет речь о нарушении известных физических законов. Выражение о волне, которой «не должно существовать», означает, что наблюдение не вписывается в принятые модели конкретного класса двойных систем. Скорее всего, в них не учтен один из каналов передачи энергии.

Не исключено, что подобный механизм работает и в других магнитных двойных системах, но остается незамеченным из-за меньшей яркости или нехватки достаточно чувствительных наблюдений.

Почему одна система меняет общую картину

Тесные двойные системы со временем изменяются из-за обмена веществом и потери энергии. То, каким образом энергия уходит из системы, определяет сближение звезд, скорость вращения и дальнейшую эволюцию компонентов.

Если магнитные белые карлики могут формировать долгие выбросы без аккреционных дисков, то нынешние модели эволюции таких систем, вероятно, неполны.

Неизвестный энергетический механизм может воздействовать не только на окружающий межзвездный газ, но и на саму двойную систему. Потеря вещества и углового момента способна изменять ее орбитальные характеристики на протяженных временных отрезках.

До сих пор неясно, насколько часто попадаются такие объекты. RXJ0528+2838 может оказаться редким исключением, появившимся из-за необычного сочетания магнитного поля, скорости движения и свойств компаньона. Есть и другая возможность: подобные системы встречаются шире, однако их тусклые ударные волны сложно обнаружить.