Астрофизики открыли двуликую звезду — это белый карлик с необычной химической структурой

Учёные обнаружили необычного белого карлика — он обладает двумя разными «лицами». Одна сторона звезды состоит из водорода, а другая — из гелия. Этот уникальный объект получил имя «Янус» (Janus) в честь древнеримского бога с двумя лицами, обращёнными одновременно в прошлое и будущее. Новое открытие ставит под сомнение представления астрофизиков о строении звёзд и открывает новые горизонты для астрономических исследований.

Источник изображения: K. Miller / Caltech / IPAC

Белые карлики — это, по сути, обугленные ядра мёртвых звёзд. Одним из первых обнаруженных белых карликов был 40 Эридан B (40 Eridani B), плотность которого превышала плотность Солнца в 25 000 раз, при этом его размеры были сопоставимы с размерами Земли. Это наблюдение казалось астрономам невозможным. Второй обнаруженный белый карлик, Сириус B (Sirius B), оказался ещё более плотным — примерно в 200 000 раз плотнее Земли.

Такая экстремальная плотность обусловлена необычным механизмом, обеспечивающим внутреннее давление звезды, необходимое для противостояния силе гравитации. В обычных звёздах энергия высвобождается за счёт ядерного синтеза, но в белых карликах этот процесс уже остановлен. В результате гравитация сжимает всю массу звезды настолько сильно, что электроны в ней сближаются, образуя вещество с электронной дегенерацией. Это происходит из-за квантовой механики, в частности, принципа запрета Паули, согласно которому каждый электрон в атоме должен иметь уникальный набор квантовых чисел. В условиях экстремальной плотности, как в белых карликах, все возможные состояния электронов заполняются, создавая силу, противостоящую дальнейшему сжатию звезды.

Чем больше масса белого карлика, тем меньше его размер, поскольку ему необходимо создать достаточное внутреннее давление для поддержания всей этой массы. И поскольку поверхностная гравитация звезды в 100 000 раз превышает гравитацию Земли, более тяжёлые атомы в её атмосфере опускаются, оставляя на поверхности более лёгкие атомы. Поэтому атмосфера белых карликов обычно состоит из чистого водорода или чистого гелия.

Вот почему последнее открытие белого карлика так интересно. Астроном Илария Кайаццо (Ilaria Caiazzo) из Калифорнийского технологического института (CIT), впервые заметила Януса (официальное обозначение ZTF J203349.8+322901.1) с помощью установки Zwicky Transient Facility (ZTF) для поиска сильно магнетизированных белых карликов. ZTF проводит роботизированные обзоры ночного неба, ища объекты, которые вспыхивают или меняются в яркости: сверхновые, звёзды, поглощаемые чёрными дырами, а также астероиды и кометы.

Дополнительные наблюдения с помощью инструмента CHIMERA и Большого Канарского телескопа показали, что Янус оборачивается вокруг своей оси примерно каждые 15 минут. Но именно данные, полученные с помощью обсерватории Кека на Гавайях, раскрыли необычный спектр звезды, то есть её характерный химический отпечаток: одна сторона водород, другая гелий. Кайаццо и её соавторы полагают, что это может быть белый карлик, пойманный в процессе редкого перехода от водородной к гелиевой поверхности.

Однако это не объясняет, почему одна сторона карлика переходит в другую быстрее, чем это происходит в обратную сторону. В настоящее время у астрономов есть две гипотезы объяснения этого странного явления, обе связаны с магнитными полями. Одна из них предполагает, что магнитное поле Януса может быть асимметричным. «Магнитные поля могут препятствовать смешиванию материалов. Поэтому, если магнитное поле сильнее с одной стороны, то на этой стороне будет меньше смешивания и, следовательно, больше водорода», — говорит Кайаццо. Возможно, гелиевая сторона Януса выглядит такой пузырчатой потому, что конвекция удалила тонкий слой водорода на поверхности, обнажив находящийся под ним гелий.

Другая гипотеза заключается в том, что магнитные поля звезды могут менять давление и плотность атмосферных газов. «Магнитные поля могут привести к снижению газового давления в атмосфере, и это может позволить образоваться "океану" водорода там, где магнитные поля самые сильные. Мы не знаем, какая из этих теорий верна, но мы не можем придумать другой способ объяснения асимметричных сторон без магнитных полей», — говорит соавтор Джеймс Фуллер (James Fuller), теоретический астрофизик из CIT.

Следующим шагом будет поиск других «двуликих» белых карликов. Эта задача станет проще, когда начнёт работу обсерватория Веры Рубин в Чили, оснащённая 8,4-метровым телескопом для сканирования всего неба каждые несколько ночей. Также в этом поможет пятый Слоановский цифровой небесный обзор (SDSS-V), международный проект по созданию трёхмерной карты Вселенной. Учёные уже наблюдали менее экстремальные спектральные вариации в другом белом карлике (GD 323). «Янус, возможно, не является уникальным случаем, а скорее самым ярким представителем класса "двуликих" белых карликов», — заключают учёные астрофизики.