Астрономы наблюдали рекордно жаркий танец космической «Черной вдовы»

Эволюция тесных двойных звездных систем изобилует драматическими событиями. Если жизненный путь одиночной звезды почти однозначно определяется ее массой, то в двойных системах — в зависимости от массы каждого компонента и расстояния между ними — возможно множество сценариев. Наиболее распространенный из них выглядит следующим образом.

Превращаясь в красный гигант, более массивная звезда расширяется в десятки раз и заполняет полость Роша — область, за пределами которой приливные силы компаньона превосходят ее собственную гравитацию. При этом вещество перетекает от гиганта к компаньону, отчего первый преждевременно превращается в белый карлик, а второй набирает массу. На этом этапе сейчас находится система Алголя, а в прошлом, возможно, это происходило в системе Сириуса.

Первое действие проходит относительно спокойно, но под занавес драма начинает все стремительнее набирать обороты. Прибавив в весе, вторая звезда ускоряет свою эволюцию, и вскоре тоже превращается в красный гигант. Тут уже наступает время преждевременно умершего первого компаньона пировать: белый карлик оттягивает на себя оболочку гиганта и сам начинает набирать массу.

Аккреция на компактные объекты сопровождается гораздо более бурными явлениями, чем на обычные звезды Главной последовательности. Время от времени стянутое с компаньона вещество, сжимаясь и разогреваясь на поверхности белого карлика, взрывается во вспышках новых, а если масса белого карлика достигает предела Чандрасекара, то он и сам взрывается, становясь сверхновой типа Ia. Чем меньше расстояние между компонентами, тем интенсивнее процессы обмена массой и вызванные им катастрофические явления. В особенно тесных системах второй компаньон может «отомстить», особенно если он является нейтронной звездой. Сокращая свою орбиту за счет приливного трения, он может оказаться внутри красного гиганта, превратив его в экзотический объект Ландау-Торна-Житков и приблизив его собственный конец.

Иногда красный гигант успевает сбросить оболочку до того, как нейтронная звезда, в которую превратился первый компаньон, погрузилась в самое его ядро. На некоторое время образовавшаяся сверх-тесная система из пульсара и остатка второй звезды обретает стабильность, но затем из-за эмиссии гравитационных волн орбита становится еще теснее. Пульсар начинает своими приливными силами пожирать то, что осталось от менее массивной звезды, и разрушать остаток жестким излучением. Недаром прообраз таких систем, PSR B1957+20, астрономы назвали «Черной вдовой». Период обращения в ней составляет всего девять часов — и это не предел.

Обычно системы типа «Черной вдовы» открывают по характерному рентгеновскому и гамма-излучению, испускаемому пульсаром. Ученые из Массачусетского технологического института во главе с Кевином Берджем (Kevin Burdge) занялись изучением оптического излучения уже известных систем, а также поиском новых объектов такого типа, и открыли самую экстремальную систему пульсара и поедаемого им компаньона из известных на сей день.

Период обращения в новооткрытой системе ZTF J1406+1222 составляет всего 62 минуты — стремительный вальс в сравнении с неторопливым девятичасовым променадом. Это быстрее теоретического предела для систем из нейтронной звезды и водородного остатка, и, следовательно, компаньон состоит из гелия либо более тяжелых элементов.

Когда-то компаньон ZTF J1406+1222 сам был звездой, но теперь от него осталось только плотное ядро, которое обращается вокруг пульсара примерно на таком же расстоянии, как Луна от Земли, и само лишь втрое превосходит диаметром нашу планету. Аккреция на нейтронные звезды высвобождает в несколько раз больше энергии, чем термоядерный синтез, и вся эта энергия излучается из области размером несколько сотен-тысяч километров. Сильнейшее жесткое излучение аккреционного диска и самого пульсара обрушивается на компаньон, разогревая его «дневную» сторону до 10 100 градусов Цельсия — почти вдвое горячее солнечной поверхности.

Обычно белые карлики или их остатки сами разогреты до нескольких тысяч градусов, и их поверхность сравнима по яркости с Солнцем. Но даже свет нашего светила не идет ни в какое сравнение с жаром близкого аккреционного диска. Кружась по орбите вокруг пульсара, остаток поворачивается к Земле то «дневной», то «ночной» стороной, что вызывает колебания его яркости в видимом свете в 13 раз — эти колебания астрономы и зафиксировали. Представьте: одну сторону нашего Солнца озарило нечто настолько яркое, что оно само стало проявлять фазы, как Луна.

По мнению ученых, со временем компаньон будет полностью разрушен жестким излучением и приливными силами пульсара. И на этом его яркая жизнь закончится: в отсутствие подпитки пульсары-вампиры всего за какие-то десятки миллионов лет замедляют свое бешеное вращение и становятся самыми обычными нейтронными звездами.