Рідкісна зоряна пара приречена на вибух

Кожна зоря, що сяє на нічному небі, одного дня неминуче згасне. Її світло потьмяніє, а вогонь охолоне у віддалених космічних сутінках. Хоча точний час кінця для більшості зірок залишається невідомим, для унікальної подвійної зоряної системи, розташованої приблизно за 150 світлових років від Землі, вдалося встановити точну дату загибелі. Приблизно через 23 мільярди років два білі карлики, що складають цю систему, приречені на катастрофічне зіткнення та злиття.

Принаймні, так сталося б, якби їхня доля не передбачала ще більш видовищного фіналу ще до самого моменту злиття. Ця пара має стати джерелом потужного вибуху — наднової типу Ia, одного з найважливіших інструментів, своєрідної космічної «мірної лінійки», за допомогою якої астрономи вимірюють величезні відстані у Всесвіті.

Вчені вже давно підозрювали, що саме білі карлики стоять за спалахами наднових типу Ia. Однак нещодавнє відкриття системи WDJ181058.67+311940.94 нарешті стало прямим підтвердженням ключового теоретичного передбачення: попередником більшості наднових типу Ia, що освітлюють небо, є не один білий карлик, а саме пара таких зірок у тісній подвійній системі.

«Теорія про те, що компаньйоном є другий білий карлик, є природним поясненням для значної частки наднових типу Ia, оскільки такі системи досить численні в Чумацькому Шляху. Проте ми ніколи раніше не знаходили а) систему, достатньо масивну, щоб вона гарантовано вибухнула як наднова типу Ia, і б) де ця подія відбудеться в часовому масштабі, порівнянному з віком Всесвіту», — пояснив астрофізик Джеймс Мандей з Університету Ворвіка у Великій Британії. «З цим новим відкриттям ми знайшли обидва ці фактори. А той факт, що система знаходиться так близько — всього за 150 світлових років від Землі (фактично, наш галактичний сусід), — створює враження, що набагато більше таких систем можуть ховатися просто у нас під носом, і ми маємо можливість ідентифікувати їх на значно більших відстанях».

Білі карлики не є «живими» зорями в тому сенсі, як ми їх зазвичай класифікуємо. «Живими» вважаються зорі головної послідовності, які все ще здійснюють термоядерний синтез водню в гелій у своїх ядрах. Коли водень вичерпується, зоря починає помирати. Її зовнішні оболонки скидаються, а ядро, більше не підтримуване зовнішнім тиском від термоядерних реакцій, колапсує під дією власної гравітації.

Для найменших і найчисленніших зірок у Всесвіті, маса яких не перевищує приблизно 8 мас Сонця, таким кінцевим продуктом еволюції ядра стає білий карлик — надзвичайно щільний об'єкт. Його маса може сягати 1,4 маси Сонця, але при цьому вона стиснута в об'єм, порівнянний за розміром із Землею або Місяцем. Ця гранична маса відома як межа Чандрасекара — максимальна маса, яку може мати стабільний білий карлик. Якщо білий карлик якимось чином перевищить цю межу, він стає нестабільним і вибухає.

Наднова типу Ia, що виникає в результаті перевищення білим карликом своєї масової межі, має величезне значення для астрономії. По-перше, такі вибухи розсіюють у Всесвіті важкі елементи, синтезовані зорею протягом її життя на головній послідовності та під час самого вибуху. По-друге, наднові типу Ia мають характерну і добре вивчену пікову світність. Це означає, що, вимірявши видиму яскравість такої наднової, астрономи можуть точно розрахувати відстань до неї, навіть якщо вона знаходиться в дуже далекій галактиці. Тому їх називають «стандартними свічками».

Оскільки подвійних систем білих карликів у Чумацькому Шляху досить багато, вчені вважали їх головними кандидатами на пояснення великої кількості спостережуваних наднових типу Ia. Проте існувала одна проблема. Щоб спровокувати вибух типу Ia, два білих карлики повинні знаходитися досить близько один до одного, щоб гравітаційні сили дозволили одному з них «перетягнути» достатньо речовини зі свого компаньйона, перевищити межу Чандрасекара і колапсувати. Астрономи знаходили подвійні системи білих карликів, але розрахунковий час, необхідний для того, щоб їхні орбіти зменшилися достатньо для злиття (через втрату енергії на гравітаційні хвилі), у більшості випадків виявлявся набагато довшим за поточний вік Всесвіту (близько 13,8 мільярдів років).

Тому, коли Мандей та його колеги виявили сигнатуру подвійної системи білих карликів у даних огляду DBL (ймовірно, мається на увазі якийсь астрономічний огляд, можливо, DESI або інший), вони одразу зрозуміли, що натрапили на щось надзвичайне. «Виявивши, що дві зорі розділені відстанню всього в 1/60 відстані між Землею та Сонцем, я швидко усвідомив, що ми відкрили першу подвійну систему білих карликів, яка безсумнівно призведе до вибуху наднової типу Ia в часовому масштабі, близькому до віку Всесвіту», — каже Мандей. «Нарешті, ми як наукова спільнота тепер можемо з упевненістю пояснити кілька відсотків частоти спалахів наднових типу Ia в Чумацькому Шляху».

Система, відома під позначенням WDJ181058.67+311940.94, має сумарну масу близько 1,56 маси Сонця, що перевищує межу Чандрасекара для одного білого карлика. Орбітальний період пари становить трохи більше 14 годин. Протягом мільярдів років орбіти двох зірок поступово зменшуватимуться через випромінювання гравітаційних хвиль. Вони наближатимуться все ближче й ближче, доки не відбудеться неминуче: злиття, що спровокує грандіозний термоядерний вибух — наднову типу Ia.

Цей день настане через 23 мільярди років. До того часу Земля і, ймовірно, людство давно зникнуть, а наше Сонце саме перетвориться на білого карлика. Тож, гарна новина полягає в тому, що ця майбутня космічна катастрофа нам нічим не загрожує.

Значення цього відкриття полягає в тому, що воно надає перше конкретне спостережне свідчення, яке дозволяє безпосередньо пов'язати наднові типу Ia з подвійними системами білих карликів певного типу. Воно також показує астрономам, які саме характеристики (близька орбіта, сумарна маса, що перевищує межу Чандрасекара) слід шукати при полюванні на подібні системи-попередники.

«Усе припущення про те, що подвійні білі карлики є попередниками наднових типу Ia, не кажучи вже про те, що вони є їх основним джерелом, було суто теоретичним і не мало спостережної підтримки», — підкреслив Мандей. «З цим відкриттям ми знайшли перший подвійний білий карлик, який безсумнівно вибухне як наднова типу Ia, прямо у нас на галактичному порозі. Тепер ми фактично можемо віднести кілька відсотків частоти спалахів наднових типу Ia в Чумацькому Шляху на рахунок подвійних білих карликів, тоді як раніше цей показник дорівнював нулю».

Це відкриття, опубліковане в престижному журналі Nature Astronomy, знаменує важливий крок у розумінні еволюції зірок та механізмів, що формують хімічний склад Всесвіту і дозволяють нам вимірювати його неосяжні простори.