Телескоп Hubble открыл подкласс белых карликов, на которых продолжается термоядерное горение водорода. Это означает, что то, что раньше считалось звёздным «мертвецом», способно поддерживать активность и выглядеть моложе, чем на самом деле. Теперь учёным придется ставить под сомнение расчёты возраста звёздных скоплений. Подробнее об этом необычном исследовании читайте в нашей статье.
Команда учёных из Италии, Соединённого Королевства и Аргентины задействовала космический телескоп Hubble, чтобы уточнить скорость охлаждения белых карликов. Эта величина важна для астрофизики, потому что её предлагают использовать как «космические часы», по которым отсчитывают возраст тех или иных групп звёздного населения Галактики. Учёные способны рассчитать возраст белого карлика, если знают его температуру. Такой «трюк» возможен, потому что в астрофизических моделях эволюции светил зависимость температуры белых карликов от возраста определяется единственным процессом — охлаждением.
Белые карлики — это компактные объекты, которые представляют собой ядра погибших звёзд с массами до 8 масс Солнца. Учитывая, что подобные светила составляют подавляющее большинство звёзд во Вселенной, белые карлики — самый типичный звёздный «труп». Силе гравитации, пытающейся схлопнуть карлик, противостоит уже не энергия, которая выделяется в результате термоядерного синтеза, а давление вырожденного газа. Состоят они из того, что звезда успела «нажечь» за свою жизнь — гелий у самых лёгких белых карликов, кислород и углерод у объектов помассивнее, неон и магний у самых тяжёлых. В их составе встречаются следы и других элементов, в том числе остатки водородной оболочки, большую часть которой звезда сбрасывает перед гибелью.
Учёные предполагали, что в водородных оболочках белых карликов возможно кратковременное возникновение термоядерного горения. Большинство моделей пренебрегает вкладом энергии реакций синтеза в этих оболочках в общее тепловое излучение белых карликов, поскольку их масса мала по сравнению с общей массой компактного объекта. Таким образом, мы получает объект, который после образования лишь постепенно остывает, а значит, зная модели того, как именно он это делает, можно примерно оценить возраст карлика.
Однако не так давно возникла теория, по которой энергетический вклад термоядерного горения водорода в остаточных оболочках маломассивных белых карликов способен составлять до 40% от их полного энерговыделения. Особенно это касается молодых объектов с низкой металличностью, т.е. содержанием элементов тяжелее гелия. Такие белые карлики на протяжении сотен миллионов лет должны подогреваться от термоядерного синтеза, и дольше сохранять высокую температуру. Если это действительно так, то метод определения возраста подобных объектов по их температуре придётся пересмотреть, ведь в этом случае карлик водит учёных за нос и кажется моложе, чем на самом деле.
Международный коллектив учёных решил проверить эту теорию на практике. С этой целью астрофизики изучили свойства белых карликов в двух похожих шаровых скоплениях — М3 и М13. Для этого исследователи использовали космический телескоп Hubble. Известно, что эти шаровые скопления схожи металличностью и возрастом, но отличаются свойствами звёзд. В М13 присутствуют голубые горячие звёзды из горизонтальной ветви на диаграмме Герцшпрунга — Рассела, которых нет в М3. Это старые светила, которые уже выработали запасы водорода в ядре, прошли стадию красного гиганта, а затем снова сжались, запустив тройную гелиевую реакцию синтеза. По мере исчерпания гелия в ядре, звёзды горизонтальной ветви снова раздуваются и переходят к стадии асимптотического гиганта — последнему этапу жизни большинства звёзд. В ядрах асимптотических гигантов уже не идут термоядерные реакции — вместо этого энергию выделяют так называемые слоевые источники, прослойки водорода и гелия, которые покрывают ядро из кислорода и углерода.
Звёзды на поздних этапах эволюции испытывают процессы под названием «вычерпывание». При этом конвективная зона, в которой вещество внутри светила движется вверх и вниз, распространяется от его поверхности до ядра. В результате часть тяжёлых элементов поднимается от ядра к поверхности, а часть лёгких элементов из внешней оболочки наоборот попадает в ядро. Учёные выделяют три вычерпывания. Первое происходит, когда звезда превращается в красного гиганта. При этом в фотосферу светила попадает большое количество гелия, а ядро получает водород. Второе вычерпывание происходит только у звёзд с массой в 3-8 раз больше Солнца, когда в их ядре заканчивается гелий. Третье вычерпывание случается у асимптотических гигантов с массой более 0,56-1,2 масс Солнца. При этом на поверхность таких звёзд поднимается углерод, а к ядру вновь опускаются водород и гелий. Некоторые звёзды испытывают первое и третье вычерпывания, минуя второе, а самые лёгкие — и вовсе только первое.
Учёные получили детальные снимки М3 и М13 в видимом и ультрафиолетовом диапазонах и нанесли на диаграмму Герцшпрунга — Рассела найденные звёзды из скоплений. На графике спектр-светимости М13 заметен голубой «хвост» горизонтальной ветви светил, который постепенно переходит вниз, к белым карликам. Светимость этих звёзд не уступает красным гигантам, а молодые белые карлики сияют, как ещё «живые» звёзды. Они находятся на вертикальной нисходящей полосе диаграммы, пока охлаждаются. В М13 концентрация белых карликов по отношению к остальным звёздам в 1,5 раза выше, чем в М3. Это аномально высокая величина, которая не укладывается в теоретические ожидания.
Авторы работы объясняют избыток белых карликов альтернативным механизмом их образования. Внешняя оболочка самых лёгких звёзд уже успевает истончиться к моменту перехода на горизонтальную ветвь. Поэтому они не переходят на стадию асимптотического гиганта и не испытывают третье вычерпывание. Это меняет элементный состав их ядер, а после сброса внешних оборочек и превращения в белые карлики, такие звёзды сохраняют больше остаточного водорода. Толстая водородная оболочка гарантирует продолжительное термоядерное горение, которое сильно увеличивает время охлаждения белых карликов в М13, «омолаживая» их.
Модель, которую проверяли авторы, показывает, что белые карлики с водородной оболочкой с термоядерным горением образуются из звёзд с массой меньше 0,56 солнечных. Исследователи подсчитали количество светил на горизонтальной ветви в обоих шаровых скоплениях и выяснили, что в М3 их меньше 10-ти процентов, а в М13 — 65 процентов. Численное моделирование показало хорошее соответствие теории наблюдательным данным. Таким образом, учёные пришли к выводу, что в М13 и других шаровых скоплениях с «хвостом» голубых звёзд горизонтальной ветви присутствуют два подвида белых карликов: обычные и «медленные». Первые лишены массивной водородной оболочки и возникли из светил, которые на этапе асимптотического гиганта пережили третье вычерпывание — они просто остывают после образования, ничего неординарного. А вот «медленные» белые карлики имеют оболочку остаточного водорода, в которой идёт термоядерное горение. Они возникли из лёгких звезд, которые либо не переходили на этап асимптотического гиганта, либо погибли до третьего вычерпывания.
Это открытие напрямую подтверждает наличие термоядерного горения на некоторых белых карликах. Авторы предлагают эмпирический метод коррекции расчёта возраста таких небесных тел, которые подогреваются от реакций слияния. Однако для точного определения связи между составом звёзд горизонтальной ветви с концентрацией «медленных» белых карликов требуется больше наблюдений за их скоростью охлаждения в других шаровых скоплениях с малой металличностью. Это позволит с ещё большей точностью использовать белые карлики для определения возраста скоплений. Кроме того, эта работа затрагивает одну из нерешённых проблем астрофизики — проблему второго параметра, по которой свойства звёзд горизонтальной ветви в шаровых скоплениях должны определяться лишь их металличностью и возрастом. Однако авторы исследования решили не поднимать эту тему в своей работе.
Автор: Дмитрий Логинов
Источник: nature.com
