Раскрыты новые подробности жизненного цикла необычного класса звезд

Заманчиво считать звезды, которые освещают небо каждую ночь, вечными.

Как рассказывают в Дартмутском колледже, профессор астрономии Джон Торстенсен знает об этом лучше. Последние четыре десятилетия он посвятил изучению катаклизмических бинарных звезд — пар звезд, вращающихся друг вокруг друга на близком расстоянии: тлеющей мертвой звезды, известной как белый карлик, и звезды, подобной нашему Солнцу, которая находится в расцвете сил и втянута в орбиту мертвой звезды.

Белый карлик постепенно отсасывает горячий газ от своего компаньона, образуя кольцо, которое может вспыхивать через случайные промежутки времени. Для наблюдателя на земле они кажутся единым целым, становясь со временем то ярче, то тусклее.

"Это напоминание о том, что звезды имеют жизненные циклы и эволюционируют с течением времени", - говорит Торстенсен. "Даже звезды не вечны".

Астрономы-любители любят катаклизмические двойные звезды, также известные как катаклизмические переменные звезды, или CV, потому что их периодические вспышки достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть в обычный телескоп. Их интенсивность — главная причина, почему Торстенсен, приехав в Дартмут в 1980 г., сделал CV делом своей жизни. К настоящему времени насчитано более 10 000 таких объектов, но подробно описана лишь малая часть.

На сегодняшний день астрономы определили орбитальные периоды около тысячи CV. Период вращения — как правило, несколько часов -- показывает, насколько близко расположены две звезды и на каком этапе эволюции они находятся. За свою карьеру Торстенсен открыл несколько собственных катаклизмических и охарактеризовал сотни других, включая 30 "короткопериодичных" CV в обзоре 2020 года.

В последние годы к Торстенсену в его поисках присоединились студенты старших курсов, участвующие в программе зарубежного обучения астрономии. Студенты проводят зимний семестр в Кейптаунском университете, посещая занятия у дартмутских профессоров астрономии и погружаясь в культуру Южной Африки. Главным событием программы является недельное посещение Южноафриканской астрономической обсерватории в Сазерленде, отдаленном месте в четырех часах езды к северу от Кейптауна. Проезд студентов в обсерваторию и обратно, а также проживание было оплачено щедрым пожертвованием Клаудии и Джея Вид.

Во время одной из самых плодотворных поездок Торстенсен и четверо студентов вернулись этой весной с новыми данными о семи катаклизмах, происходящих на расстоянии от 1000 до 3000 световых лет от Земли. Результаты их наблюдений опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

Ослепительное ночное небо Южной Африки

Южная Африка, которая расположена на дальнем краю Африки и омывается бурным Южным океаном, известна своими потрясающими и часто отдаленными от цивилизации пейзажами. Но, пожалуй, менее известна она своим звездным небом. На пустынном плато расположена национальная обсерватория, в которой размещен самый большой оптический телескоп в Южном полушарии и множество более мелких приборов.

По дороге туда населенные пункты становятся все дальше и дальше друг от друга. С заходом солнца отсутствие света просто поражает. Каждый вечер студенты отправлялись из общежития с "ночными обедами". После километрового похода они добирались до обсерватории, включали аппаратуру и ждали.

"Когда солнце садится, становится так темно, что не видно рук", - говорит Чейз Альварадо-Андерсон '23, студент факультета астрономии из Далласа. "Потом глаза привыкают, и все сразу становится ясно. Небо выглядит как черное полотно, на которое нанесена белая краска".

Эбигейл Берроуз, студентка факультета астрономии из Вашингтона, была также ошеломлена. "Когда привыкаешь к темноте, небо взрывается на глазах", - говорит она. "Каждый раз, когда ты оглядываешься назад, ты видишь все больше и больше звезд. Мы увидели Южный Крест, большое и малое Магеллановы облака, а самым ранним утром - галактическую плоскость".

Из-за КОВИД-19 поездка затянулась на два года. К тому времени, когда наступил выпускной класс, ни один из студентов не был уверен, что сможет поехать. Альварадо-Андерсон бывал в обсерватории МДМ на пике Китт, недалеко от Тусона, которой Дартмут руководит в рамках консорциума школ. Берроуз никогда не был дальше Европы. Этой зимой звезды сошлись. В феврале этого года, давно закончив предварительную подготовку, они вылетели в Кейптаун.

Торстенсен тоже был готов. Из каталога, включающего 10 000 объектов, он отобрал CV, которые казались относительно яркими, малоизвестными и которые можно было наблюдать с помощью относительно скромного оборудования. Телескоп 1940-х годов, который использовался в исследовании, имел зеркало диаметром 1,9 м, что ничтожно мало по сравнению со знаменитым телескопом SALT, установленным в обсерватории. Однако его мощности вполне хватало для проведения необходимых измерений.

На телескопе был установлен спектрограф - прибор, разделяющий свет на разные цвета, или длины волн, подобно тому, как призма разделяет белый свет на радугу. По количеству света, излучаемого на каждой длине волны, можно судить о том, из чего состоит звезда. Все звезды содержат водород, который при наблюдении альфа-спектральной линии светится насыщенным красным цветом, и именно этот элемент позволяет измерять их скорость. Когда звезда удаляется от наблюдателя, ее свет растягивается до более длинных, красных волн, а когда она движется к наблюдателю, длины волн укорачиваются и смещаются в сторону синего цвета.

Чем быстрее звезда, тем больше смещение длины волны, что связано с эффектом Доплера - явлением, которое приводит к уменьшению высоты звука сирены по мере удаления от вас машины скорой помощи или пожарной машины. Измеряя изменение длины волны целевых КВ, студенты смогли засечь их скорости, что, в свою очередь, позволило вычислить периоды их вращения.

Все семь изученных ими катаклизмических оказались типичными, они вращались одна вокруг другой с периодами в несколько часов, обычно со скоростью более 100 километров в секунду. Четыре из изученных звезд были постоянно яркими и принадлежали к классу переменных, известных как новы, а остальные были карликовыми новыми с небольшими вспышками.

"Эти системы имеют схожую физику, но в зависимости от типа вторичной звезды они могут иметь совершенно разный вид", - говорит Берроуз.

Каждое измерение могло занимать несколько часов. Если влажность становилась слишком высокой, студентам приходилось выключать телескоп.

Альварадо-Андерсон уехал из поездки с первой опубликованной статьей, навыками работы с такими астрономическими программами, как IRAF, PyRAF и ds9, и советом, как сдать квалификационный экзамен в аспирантуру. Альварадо-Андерсон говорит, что поездка подтвердила его любовь к космосу и звездам, и теперь он направляется в Стэнфорд для получения степени доктора наук в области планетологии.

Она также изменила его представление о белых карликах, которые лежат в основе всех резюме. Раньше он видел плотное ядро мертвой звезды, у которой закончилось топливо. Сегодня он видит звезду, которая, высасывая газ из своего соседа, вернулась к жизни.

"Очень интересно рассматривать этот процесс как возрождение", - говорит он.

українською