Розкрито нові подробиці життєвого циклу незвичайного класу зірок

Заманливо вважати зорі, які освітлюють небо щоночі, вічними.

Як розповідають в Дартмутському коледжі, професор астрономії Джон Торстенсен знає про це краще. Останні чотири десятиліття він присвятив вивченню катаклізмічних бінарних зірок - пар зірок, що обертаються одна навколо одної на близькій відстані: мертвої зірки, яка тліє, відомої як білий карлик, і зірки, подібної до нашого Сонця, яка перебуває в розквіті сил і втягнута в орбіту мертвої зірки.

Білий карлик поступово відсмоктує гарячий газ від свого компаньйона, утворюючи кільце, яке може спалахувати через випадкові проміжки часу. Для спостерігача на землі вони здаються єдиним цілим, стаючи з часом то яскравішими, то тьмянішими.

"Це нагадування про те, що зорі мають життєві цикли й еволюціонують з плином часу", - каже Торстенсен. "Навіть зорі не вічні".

Астрономи-аматори люблять катаклізмічні подвійні зорі, також відомі як катаклізмічні змінні зорі, або CV, тому що їхні періодичні спалахи досить яскраві, щоб їх можна було побачити у звичайний телескоп. Їхня інтенсивність -- головна причина, чому Торстенсен, приїхавши до Дартмута в 1980 р., зробив CV справою свого життя. До теперішнього часу нараховано понад 10 000 таких об'єктів, але докладно описана лише мала частина.

Сьогодні астрономи визначили орбітальні періоди близько тисячі CV. Період обертання -- як правило, кілька годин -- показує, наскільки близько розташовані дві зірки та на якому етапі еволюції вони перебувають. За свою кар'єру Торстенсен відкрив кілька власних катаклізмічних та схарактеризував сотні інших, включно з 30 "короткоперіодичними" CV в огляді 2020 року.

Останніми роками до Торстенсена в його пошуках приєдналися студенти старших курсів, які беруть участь у програмі закордонного навчання астрономії. Студенти проводять зимовий семестр у Кейптаунському університеті, відвідуючи заняття у дартмутських професорів астрономії та занурюючись у культуру Південної Африки. Головною подією програми є тижневе відвідування Південноафриканської астрономічної обсерваторії в Сазерленді, віддаленому місці за чотири години їзди на північ від Кейптауна. Проїзд студентів в обсерваторію і назад, а також проживання було оплачено щедрою пожертвою Клаудії і Джея Від.

Під час однієї з найбільш плідних поїздок Торстенсен і четверо студентів повернулися цієї весни з новими даними про сім катаклізмічних, що відбуваються на відстані від 1000 до 3000 світлових років від Землі. Результати їхніх спостережень опубліковані в журналі The Astronomical Journal.

Сліпуче нічне небо Південної Африки

Південна Африка, яка розташована на далекому краю Африки та омивається бурхливим Південним океаном, відома своїми приголомшливими й часто віддаленими від цивілізації пейзажами. Але, мабуть, менш відома вона своїм зоряним небом. На пустельному плато розташована національна обсерваторія, в якій розміщено найбільший оптичний телескоп у Південній півкулі та безліч дрібніших приладів.

Дорогою туди населені пункти стають дедалі далі й далі один від одного. Із заходом сонця відсутність світла просто вражає. Щовечора студенти вирушали з гуртожитку з "нічними обідами". Після кілометрового походу вони добиралися до обсерваторії, вмикали апаратуру й чекали.

"Коли сонце сідає, стає так темно, що не видно рук", - каже Чейз Альварадо-Андерсон '23, студент факультету астрономії з Далласа. "Потім очі звикають, і все одразу стає ясно. Небо виглядає як чорне полотно, на яке нанесено білу фарбу".

Ебігейл Берроуз, студентка факультету астрономії з Вашингтона, була також приголомшена. "Коли звикаєш до темряви, небо вибухає на очах", - каже вона. "Щоразу, коли ти озираєшся назад, ти бачиш дедалі більше і більше зірок. Ми побачили Південний Хрест, велику і малу Магелланові хмари, а самого раннього ранку - галактичну площину".

Через КОВІД-19 поїздка затягнулася на два роки. На той час, коли настав випускний клас, жоден зі студентів не був упевнений, що зможе поїхати. Альварадо-Андерсон бував в обсерваторії МДМ на піку Кітт, недалеко від Тусона, якою Дартмут керує в рамках консорціуму шкіл. Берроуз ніколи не був далі Європи. Цієї зими зорі зійшлися. У лютому цього року, давно закінчивши попередню підготовку, вони вилетіли до Кейптауна.

Торстенсен теж був готовий. З каталогу, що включає 10 000 об'єктів, він відібрав CV, які здавалися відносно яскравими, маловідомими та які можна було спостерігати за допомогою відносно скромного обладнання. Телескоп 1940-х років, який використовувався в дослідженні, мав дзеркало діаметром 1,9 м, що мізерно мало порівняно зі знаменитим телескопом SALT, встановленим в обсерваторії. Однак його потужності цілком вистачало для проведення необхідних вимірювань.

На телескопі було встановлено спектрограф - прилад, що розділяє світло на різні кольори, або довжини хвиль, подібно до того, як призма розділяє біле світло на веселку. За кількістю світла, що випромінюється на кожній довжині хвилі, можна судити про те, з чого складається зірка. Усі зорі містять водень, який під час спостереження альфа-спектральної лінії світиться насиченим червоним кольором, і саме цей елемент дає змогу вимірювати їхню швидкість. Коли зірка віддаляється від спостерігача, її світло розтягується до довших, червоних хвиль, а коли вона рухається до спостерігача, довжини хвиль коротшають і зміщуються у бік синього кольору.

Що швидше зірка, то більший зсув довжини хвилі, що пов'язано з ефектом Доплера - явищем, яке призводить до зменшення висоти звуку сирени в міру віддалення від вас машини швидкої допомоги або пожежної машини. Вимірюючи зміну довжини хвилі цільових КВ, студенти змогли засікти їхні швидкості, що, зі свого боку, дало змогу обчислити періоди їхнього обертання.

Усі сім вивчених ними катаклізмічних виявилися типовими, вони оберталися одна навколо іншої з періодами у кілька годин, зазвичай зі швидкістю понад 100 кілометрів на секунду. Чотири з вивчених зірок були постійно яскравими й належали до класу змінних, відомих як нови, а решта були карликовими новами з невеликими спалахами.

"Ці системи мають схожу фізику, але залежно від типу вторинної зірки вони можуть мати абсолютно різний вигляд", - каже Берроуз.

Кожне вимірювання могло займати кілька годин. Якщо вологість ставала занадто високою, студентам доводилося вимикати телескоп.

Альварадо-Андерсон поїхав з поїздки з першою опублікованою статтею, навичками роботи з такими астрономічними програмами, як IRAF, PyRAF і ds9, і порадою, як скласти кваліфікаційний іспит в аспірантуру. Альварадо-Андерсон каже, що поїздка підтвердила його любов до космосу і зірок, і тепер він прямує до Стенфорда для здобуття ступеня доктора наук у галузі планетології.

Вона також змінила його уявлення про білі карлики, які лежать в основі всіх резюме. Раніше він бачив щільне ядро мертвої зірки, у якої закінчилося паливо. Сьогодні він бачить зірку, яка, висмоктуючи газ зі свого сусіда, повернулася до життя.

"Дуже цікаво розглядати цей процес як відродження", - каже він.

на русском