Астрономы обнаружили вокруг белого карлика RXJ0528+2838 мощную ударную волну, существование которой нельзя объяснить известными механизмами. Звездный остаток не имеет аккреционного диска, обычно создающего такие выбросы, однако окружающая его структура сохраняется не менее тысячи лет. О том, что известно о необычной звездной системе и какой «скрытый двигатель» может поддерживать загадочный выброс, — в материале «Известий».

Газ и пыль, покидающие звезды, могут сталкиваться с межзвездным веществом и образовывать ударные волны. Подобные структуры возникают, когда движущийся с большой скоростью поток частиц сжимает и нагревает окружающий газ.

Однако ударная волна, обнаруженная рядом с RXJ0528+2838, поставила астрономов в тупик. Известные свойства системы указывали на то, что она не должна производить настолько мощный и продолжительный выброс.

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

По словам второго руководителя работы, научного сотрудника Астрономического центра имени Николая Коперника Кристиана Илкевича, наблюдения выявили мощный поток вещества, которого, согласно современным представлениям, в этой системе быть не должно.

Необычный объект расположен примерно в 730 световых годах от Земли. Он движется по Млечному Пути и взаимодействует с находящимся между звездами газом. Перед системой при этом возникает дугообразная область сжатого вещества — головная ударная волна.

Научный сотрудник Уорикского университета Ноэль Кастро Сегура сравнил ее с волной, которая образуется перед носом движущегося по воде корабля. В космосе похожая дуга появляется перед объектом, перемещающимся через межзвездную среду и одновременно выбрасывающим вещество.

Однако для формирования такой структуры одного движения звезды недостаточно. Необходим устойчивый поток вещества или энергии, способный воздействовать на окружающий газ. Источник этого потока в случае RXJ0528+2838 пока установить не удалось.

RXJ0528+2838 представляет собой белый карлик — компактное ядро звезды малой или средней массы, которая исчерпала основное ядерное топливо и сбросила внешние оболочки. Белые карлики имеют размеры, сопоставимые с Землей, но при этом могут содержать значительную часть массы Солнца. В них уже не происходят обычные термоядерные реакции, поэтому такие объекты постепенно остывают. Именно поэтому их нередко называют «мертвыми» звездами.

Однако RXJ0528+2838 находится не в одиночестве. Он входит в тесную двойную систему и притягивает вещество со звезды-компаньона. Подобные объекты называют катаклизмическими переменными.

В большинстве таких систем перетекающий газ не сразу падает на поверхность белого карлика. Из-за движения по орбите вещество закручивается и образует аккреционный диск — быстро вращающуюся структуру из разогретого газа.

Постепенно материал из диска приближается к белому карлику и выпадает на его поверхность. При этом часть вещества может быть выброшена обратно в космос в виде ветра или направленных потоков. Сталкиваясь с межзвездным газом, такой поток способен сформировать головную ударную волну.

До публикации исследования было известно лишь о шести аккрецирующих белых карликах с головными ударными волнами, связанными с ветрами их дисков и не возникшими после термоядерного взрыва. RXJ0528+2838 принципиально отличается от этих систем: диска у него не обнаружили.

Отсутствие аккреционного диска исключает наиболее очевидное объяснение происхождения выброса. Если диска нет, он не может производить ветер, который поддерживал 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.

Для проверки других версий ученые рассмотрели несколько известных механизмов. В частности, ударная волна могла оказаться следом более раннего термоядерного взрыва на поверхности белого карлика.

Такое событие происходит, когда белый карлик накапливает достаточно вещества звезды-компаньона. Газ уплотняется и нагревается, после чего на поверхности начинается неконтролируемая термоядерная реакция. Возникает вспышка новой, а выброшенное вещество формирует расширяющуюся оболочку.

Однако форма, расположение и физические свойства структуры около RXJ0528+2838 оказались несовместимы с остатком подобного взрыва. Исследователи также не нашли признаков того, что ударную волну создает интенсивный звездный ветер компаньона.

Таким образом, авторы исключили все основные механизмы, которыми обычно объясняют возникновение подобных структур рядом с аккрецирующими белыми карликами: ветер аккреционного диска, поток вещества от второй звезды и последствия термоядерной вспышки.

Странную туманность впервые заметили на изображениях, полученных телескопом имени Исаака Ньютона в Испании. Ее необычная форма побудила исследователей провести более подробные наблюдения.

Для этого ученые воспользовались спектрографом MUSE, установленным на Очень большом телескопе ESO в Чили. Инструмент позволяет одновременно получать изображение объекта и анализировать спектр света в каждой части наблюдаемой области.

Благодаря MUSE астрономы составили подробную карту ударной волны и исследовали ее химический состав. На опубликованном ESO изображении водород обозначен красным, азот — зеленым, а кислород — синим цветом.

Наблюдения помогли установить, что структура действительно связана с RXJ0528+2838. Она не является случайно расположенной на том же участке неба туманностью или отдельным облаком 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.

Исследователи также использовали сведения о движении объекта и данные других наземных и космических обсерваторий. Сопоставление результатов показало, что дуга ориентирована в соответствии с перемещением двойной системы через межзвездную среду.

Одной из главных особенностей RXJ0528+2838 оказалось чрезвычайно сильное магнитное поле. По оценке авторов работы, его напряженность составляет приблизительно 42–45 мегагаусс, то есть 42–45 млн гаусс.

Из-за такого поля система относится к полярам — разновидности катаклизмических переменных с сильно намагниченными белыми карликами. В них магнитное поле способно полностью изменить движение поступающего от компаньона вещества.

Газ не успевает сформировать обычный аккреционный диск. Вместо этого поле захватывает поток и направляет его вдоль магнитных силовых линий непосредственно к полюсам белого карлика. При падении вещества выделяется энергия, а область около поверхности звезды сильно нагревается.

Такой механизм объясняет, почему у RXJ0528+2838 нет диска, несмотря на продолжающуюся передачу вещества между компонентами системы. Вместе с тем он не отвечает на главный вопрос — откуда берется настолько мощный и долгоживущий поток, формирующий ударную волну.

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

По его словам, результаты ставят под сомнение стандартную картину движения и взаимодействия вещества в тесных двойных системах с магнитными белыми карликами.

Размеры и форма головной ударной волны позволили оценить продолжительность ее существования. Расчеты показали, что структура поддерживается уже более тысячи лет. Это исключает краткий единичный выброс. Для создания наблюдаемой дуги система должна на протяжении длительного времени передавать энергию окружающему веществу.

Ударной волне требуется приблизительно втрое больше энергии, чем, согласно модели, должно выделяться при падении вещества на белый карлик. Это означает, что одной аккреции для объяснения наблюдений недостаточно.

Проблема заключается не только в мощности, но и в продолжительности процесса. Нынешнее магнитное поле белого карлика, по оценке ESO, могло бы поддерживать подобный выброс лишь несколько сотен лет. Ударная волна существует как минимум тысячу лет. Следовательно, магнитное поле может быть частью объяснения, но само по себе оно пока не закрывает энергетический дефицит.

Исследователи предположили, что в системе действует ранее неизвестный механизм передачи или потери энергии, связанный с магнитной активностью. Скаринджи условно назвал его «таинственным двигателем». Речь не обязательно идет об отдельном физическом объекте. Под этим выражением понимается процесс, который способен на протяжении тысячелетия поддерживать выброс и обеспечивать его энергией.

Среди возможных направлений для дальнейшего изучения — сложное взаимодействие магнитного поля с потоком вещества, вращением белого карлика и орбитальным движением компонентов системы. Авторы не утверждают, что магнитная природа механизма уже доказана. Пока она остается наиболее вероятной подсказкой, поскольку именно сильное поле отличает RXJ0528+2838 от многих других аккрецирующих белых карликов и препятствует образованию диска.

В статье также не говорится о нарушении известных физических законов. Фраза о волне, которой «не должно существовать», означает, что наблюдение не укладывается в принятые модели конкретного класса двойных систем. Вероятнее всего, в них не учтен один из каналов передачи энергии.

Исследователи допускают, что такой механизм может действовать и в других магнитных двойных системах, но оставаться незамеченным из-за меньшей яркости или отсутствия достаточно чувствительных наблюдений.

Тесные двойные системы постепенно меняются из-за обмена веществом и потери энергии. От того, каким способом энергия покидает систему, зависит сближение звезд, скорость вращения и дальнейшее развитие компонентов.

Если магнитные белые карлики способны создавать продолжительные выбросы без аккреционных дисков, существующие модели эволюции таких систем могут быть неполными.

Неизвестный энергетический механизм способен влиять не только на окружающий межзвездный газ, но и на саму двойную систему. Выброс вещества и углового момента может менять ее орбитальные характеристики на длительных временных промежутках.

Пока остается неизвестным, насколько часто встречаются такие объекты. RXJ0528+2838 может быть редким исключением, возникшим из-за необычного сочетания магнитного поля, скорости движения и свойств компаньона. Другая возможность заключается в том, что подобные системы распространены шире, но их тусклые ударные волны трудно обнаружить.