Космический «пук» заставляет звезду-зомби вспыхивать рентгеновскими лучами
Огромный, непрекращающийся космический «пук» заставляет таинственную звезду-зомби периодически вспыхивать, излучая яркие импульсы рентгеновских лучей в сторону Земли, согласно новому исследованию. Эти беспрецедентные наблюдения проливают свет на то, как некоторые из самых экстремальных объектов Вселенной взаимодействуют друг с другом.
Примерно в 13 000 световых лет от Земли находится необычная двойная звёздная система, известная как BP Южного Креста (BP Crucis). Она содержит голубого гипергиганта примерно в 60 раз больше Солнца, названного Wray 977, рядом с нейтронной звездой — неживым и сверхплотным остатком звезды, взорвавшейся как сверхновая, — которую астрономы обозначили GX 301-2. Этот звёздный «зомби», содержащий ту же массу, что и наше Солнце, упакованную в объект диаметром примерно 20 километров, является типом нейтронной звезды, называемым пульсаром, который обладает чрезвычайно мощным магнитным полем и быстро вращается. Это означает, что он постоянно выбрасывает в космос колеблющийся луч мощного электромагнитного излучения, включая рентгеновские лучи, через регулярные интервалы. Когда этот луч совпадает с Землёй — примерно каждые 11 минут в случае GX 301-2 — телескопы нашей планеты обнаруживают вспышку.
Однако, в отличие от большинства других известных пульсаров, GX 301-2 также испускает частые рентгеновские вспышки (отдельно от регулярных лучей), которые заставляют его светить гораздо ярче через повторяющиеся интервалы. И до сих пор исследователи не знали почему. В новом исследовании, опубликованном 18 сентября в журнале Science Advances, исследователи использовали Миссию по рентгеновской визуализации и спектроскопии (XRISM) — космический телескоп, совместно управляемый NASA и Японским агентством аэрокосмических исследований — чтобы внимательнее изучить BP Южного Креста. При этом они обнаружили, что нейтронная звезда вспыхивает каждый раз, когда проходит через гигантский шлейф «плазмы звёздного ветра», выбрасываемый её партнёром-гипергигантом.
Это первый случай, когда исследователи обнаружили взаимодействие такого типа звёздного материала с нейтронной звездой или с любым другим подобным звёздным остатком, что открывает дверь для изучения подобных систем в будущем. «Мы никогда раньше не видели чётких признаков падения плазмы ветра на компактный объект, — сказал в заявлении первый автор исследования Рои Рахин, исследователь из Университета Мэриленда, округ Балтимор (UMBC) и Центра космических полётов Годдарда NASA. — Теперь мы можем проверить наше понимание этих процессов гораздо более детально».
Кто испортил воздух… взрывается?
Все звёзды, активно горящие посредством термоядерного синтеза, испускают потоки radiation и заряженных частиц, известные как звёздный ветер. Солнце испускает такой поток, известный как солнечный ветер, который может вызывать яркие полярные сияния near полюсами Земли. Однако массивные звёзды, такие как Wray 977, выбрасывают звёздные ветры, которые гораздо более экстремальны. Голубой гипергигант испускает единственный гигантский шлейф концентрированного ионизированного газа, или плазмы, который изливается со скоростью около 540 000 км/ч. (Учёные полагают, что звёздный ветер, вероятно, формируется в единственный концентрированный шлейф из-за гравитационного воздействия сверхплотного соседа звезды.)
GX 301-2 облетает Wray 977 каждые 41,5 дня и испытывает свои рентгеновские вспышки, когда достигает ближайшей и самой дальней точек от своего партнёра, причём самые сильные вспышки происходят в ближайшей точке. В результате исследователи давно подозревали, что вспышки происходят, когда нейтронная звезда проходит через шлейф звёздного ветра. Однако у них не было способа доказать это без дополнительных доказательств.
В течение 16-часового периода наблюдений, совпавшего с одной из вспышек нейтронной звезды, исследователи использовали XRISM для получения высокодетализированных рентгеновских спектров, выявивших «быстро меняющиеся линии emission и absorption», которые показали, как шлейф прибывал и убывал вокруг GX 301-2, написали представители NASA. «Мы могли видеть, как плотный поток плазмы действует очень близко к нейтронной звезде, — сказала в заявлении соавтор исследования Назма Ислам, астроном из Центра естественных наук Манипала в Индии и ранее исследователь в UMBC и NASA Goddard. — Было ясно, что эти наблюдения были революционными, но в то же время это означало, что анализ должен был быть особенно детальным».
Используя эти данные, исследователи смогли смоделировать, как именно плазма падала на проходящую нейтронную звезду и закручивалась вокруг неё. Когда на её поверхности накапливается достаточно звёздного материала, звёздный зомби взрывается, испуская яркие вспышки, которые мы можем обнаружить на Земле. Команда теперь надеется использовать XRISM для изучения будущих событий вспышек, чтобы лучше понять взаимосвязь между GX 301-2 и ветреным шлейфом Wray 977. «Система BP Южного Креста — идеальная лаборатория для изучения аккреции пульсара, питаемого ветром, — сказал в заявлении Брайан Уильямс, научный руководитель проекта XRISM в NASA Goddard, и XRISM является «идеальным инструментом для продвижения нашего понимания involved процессов».
Открытие, сделанное с помощью XRISM, имеет значение далеко за пределами одной конкретной звёздной системы. Оно подтверждает теоретические модели, которые предсказывали, что аккреция вещества из звёздного ветра может происходить неоднородно, формируя временные, изменчивые структуры вокруг компактного объекта. До сих пор астрономы в основном наблюдали аккрецию из дисков — когда вещество перетекает от обычной звезды к нейтронной звезде или чёрной дыре через аккреционный диск. В случае BP Южного Креста вещество поступает не через диск, а через прямой поток плазмы, что делает систему уникальной природной лабораторией.
«Это меняет наше представление о том, как нейтронные звёзды могут набирать массу, — говорит теоретик из Института астрофизики Макса Планка, не участвовавший в исследовании. — Если вещество падает неоднородно, это влияет на магнитное поле пульсара, на его вращение и на характер излучения. Мы видим, что даже в самых экстремальных условиях физика остаётся сложной и многогранной».
Особый интерес вызывает вопрос о том, как именно плазма взаимодействует с магнитосферой нейтронной звезды. GX 301-2 обладает магнитным полем в триллионы раз сильнее земного. Когда плазма приближается к звезде, она захватывается магнитным полем и направляется к полюсам, где сталкивается с поверхностью, нагреваясь до миллионов градусов и испуская рентгеновские лучи. Однако наблюдения XRISM показали, что этот процесс не является стабильным: плотность и скорость плазмы меняются, что приводит к изменению интенсивности рентгеновского излучения. Это может объяснить, почему вспышки GX 301-2 такие нерегулярные по сравнению с другими пульсарами.
Исследователи также отметили, что шлейф звёздного ветра Wray 977, вероятно, имеет спиральную структуру, закручивающуюся вокруг нейтронной звезды. Это связано с тем, что гипергигант вращается, и его ветер увлекается вращением, создавая сложную геометрию. Когда GX 301-2 проходит через разные части этой спирали, условия аккреции меняются, что и приводит к наблюдаемым вариациям. Моделирование, основанное на данных XRISM, позволило воспроизвести эти вариации с высокой точностью, что подтверждает правильность интерпретации.
В будущем команда планирует продолжить наблюдения BP Южного Креста с помощью XRISM и других инструментов, включая рентгеновскую обсерваторию Chandra и европейский телескоп XMM-Newton. Цель — понять, как долго система будет оставаться в текущем состоянии и что произойдёт, когда Wray 977 исчерпает своё топливо и взорвётся как сверхновая. Это событие, которое может произойти через несколько миллионов лет, приведёт к образованию новой нейтронной звезды или чёрной дыры и, возможно, к ещё более экстремальным взаимодействиям.
«BP Южного Креста — это напоминание о том, что Вселенная полна неожиданностей, — говорит Рахин. — Мы думали, что понимаем, как работают пульсары, но эта система показала нам, что существует множество процессов, которые мы только начинаем осознавать. Каждое новое наблюдение открывает новые вопросы, и это самое захватывающее в науке».
Помимо чисто научного интереса, изучение таких систем имеет и практическое значение. Нейтронные звёзды являются одними из самых точных часов во Вселенной, и понимание их поведения помогает улучшить навигационные системы и гравитационные модели. Кроме того, экстремальные условия вблизи нейтронных звёзд позволяют проверять фундаментальные физические теории, включая общую теорию относительности и квантовую механику. Возможно, именно в таких системах, как BP Южного Креста, скрываются ключи к пониманию природы материи и пространства-времени.
Источники: Live Science, Science Advances, NASA, JAXA, XRISM, Центр космических полётов Годдарда, UMBC.
