«Апостериори»: Астрономы разгадали загадку излучения гамма-Кассиопеи

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Звезда гамма-Кассиопеи более 50 лет демонстрировала необычно мощное и жёсткое рентгеновское излучение, не укладывающееся в стандартные модели.

Она относится к так называемым Be-звёздам – это массивные, быстро вращающиеся звёзды, окружённые газовым диском. Такие звёзды сами по себе могут излучать в рентгеновском диапазоне, но в случае гамма-Кассиопеи это излучение оказалось примерно в 40 раз сильнее ожидаемого и к тому же значительно более жестким. Кроме того, оно меняется на очень коротких временны́х масштабах – вплоть до секунд, что также нехарактерно для подобных объектов.

На протяжении десятилетий учёные предлагали разные объяснения. Одни связывали рентгеновское излучение с магнитной активностью самой звезды и её взаимодействием с окружающим диском. Другие предполагали наличие компактного спутника – например, нейтронной звезды или белого карлика, – на который падает вещество.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Astronomy & Astrophysics, астрономы получили первые прямые наблюдательные данные, позволяющие выбрать между этими сценариями.

Авторы использовали новый рентгеновский телескоп XRISM, способный с высокой точностью измерять энергии отдельных фотонов. Это позволило им детально проанализировать спектральные линии железа в диапазоне примерно от 6,4 до 7 килоэлектронвольт.

Такие линии возникают в горячей плазме и чувствительны к движению источника излучения благодаря эффекту Доплера: если объект движется, линии в спектре смещаются. Измеряя эти смещения в разные моменты времени, можно восстановить движение источника.

Астрономы провели наблюдения гамма-Кассиопеи на разных фазах орбиты и обнаружили, что рентгеновские линии действительно смещаются. Однако характер этого смещения оказался неожиданным: он не соответствует движению самой звезды. Зато хорошо согласуется с ожидаемым движением её компактного спутника. Иными словами, источник рентгеновского излучения «движется» вместе с компаньоном, а не со звездой.

Это ключевой результат работы. Он показывает, что горячая плазма, ответственная за рентгеновское излучение, связана не с поверхностью Be-звезды, а с её спутником. Более того, характер самих спектральных линий указывает на то, что этот спутник – белый карлик.

Вероятно, вещество из газового диска Be-звезды постепенно перетекает на белый карлик. Если у него есть магнитное поле, оно направляет падающее вещество к полюсам. В результате образуются ударные фронты, в которых вещество разогревается до температур порядка 100 миллионов градусов и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.

Часть рентгеновского излучения поглощается более холодным веществом, а затем переизлучается, формируя так называемые флуоресцентные линии железа, которые также наблюдаются в спектре.

Интересно, что ширина спектральных линий оказалась сравнительно небольшой. Это позволяет исключить сценарий, в котором излучение формируется в быстром аккреционном диске, доходящем до поверхности белого карлика. Вместо этого данные лучше согласуются с моделью магнитной аккреции, где диск обрывается, а вещество падает вдоль магнитных линий.

Полученные результаты важны не только для понимания конкретной звезды. Дело в том, что гамма-Кассиопеи является характерным представителем целого класса объектов, которые демонстрируют схожие рентгеновские свойства.

Теоретические модели давно предсказывали, что системы, состоящие из Be-звезды и белого карлика, должны быть довольно распространены. Однако наблюдательно их почти не удавалось подтвердить. Теперь, судя по всему, такая популяция наконец обнаружена – просто ранее её не удавалось правильно интерпретировать.

При этом новые данные выявляют и проблемы в существующих моделях эволюции двойных звёзд. Например, наблюдаемые массы и частоты таких систем не полностью совпадают с теоретическими предсказаниями. Это может означать, что процессы переноса вещества в двойных системах работают иначе, чем считалось ранее.

Авторы также отмечают, что остаётся ряд открытых вопросов. В частности, пока не до конца понятно, как именно связаны изменения рентгеновского излучения с изменениями структуры и плотности газового диска вокруг  Be-звезды, а также как устроена аккреция в таких системах.

Тем не менее, новое исследование впервые даёт прямое подтверждение того, что источник рентгеновского излучения гамма-Кассиопеи – это аккреция вещества на белый карлик. И тем самым закрывает одну из самых долгих и обсуждаемых загадок в астрофизике массивных звёзд.