СОВСЕМ ТЕСНАЯ ПАРА

В июле 2019 г. астрономы из США, ФРГ и Израиля сообщили об открытии чрезвычайно компактной двойной системы ZTF J1539+5027, образованной белыми карликами. Их массы вполне обычны — 0,61 и 0,21 массы Солнца. Радиус более массивного партнера округленно равен 10 860 км, а более легкого — 21 850 км. Они обращаются вокруг барицентра по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, совершая один оборот за 6 минут 55 секунд. Столь короткий период объясняется очень малой (конечно, по астрономическим масштабам) суммой больших полуосей их орбит относительно барицентра. Она составляет лишь 78 000 км, что почти в пять раз меньше среднего расстояния от Земли до Луны! Длина большой полуоси орбиты легкого карлика пары равна 58 200 км, а тяжелого — 19 800 км. Теперь вспомним, что радиус Сатурна — 58 232 км. Так что, если поместить барицентр в его геометрический центр, обе орбиты окажутся внутри планеты.

ZTF J1539+5027 не может считаться абсолютным чемпионом среди двойных белых карликов по малости орбитального периода. Самой короткопериодической системой до сих пор остается HM Рака, о которой у нас чуть выше шла речь в связи с сокращением ее орбитального периода из-за гравитационного излучения. Еще один двойной белый карлик с 9,5-минутным периодом — это V407 Vul, открытый в 2000 г. Однако ZTF J1539+5027 на сегодня является самой короткопериодической парой белых карликов, которые на каждом обороте дважды (то есть примерно раз в 3,5 минуты) перекрывают свет друг друга, доходящий до земных наблюдателей (такие двойные звезды называют затменными). Второе место в этом списке занимает пара белых карликов WD J0651+2844, которые затмевают друг друга каждые шесть с небольшим минут (дважды в течение орбитального периода, равного 12 минутам 45 секундам). Дистанция между ними приблизительно равна 115 000 км. Более тяжелый карлик имеет массу 0,49 массы Солнца при радиусе около 9880 км. Масса второго равна 0,247 солнечной, а радиус 25 820 км.

Новооткрытые карлики сильно отличаются по степени нагрева. Эффективная температура более массивного карлика, измеренная на базе спектроскопии его излучения, приближается к 50 000 K. Температура его легкого партнера пока точно не измерена, однако, во всяком случае, не превышает 10 000 K.

Данные о массах и радиусах новооткрытой пары (и, для сравнения, также системы WD J0651+2844) хорошо иллюстрируют важную особенность белых карликов. Как уже говорилось, радиус этих звезд обратно пропорционален корню третьей степени из массы. Следовательно, с увеличением массы он не возрастает, а падает, что видно и в данном случае. Это противоречит интуиции (для сравнения: радиус звезд солнечного типа приблизительно пропорционален квадратному корню их массы, поэтому чем тяжелее звезда, тем она больше), но такова природа белых карликов. Она проявляется и в аномально большом радиусе самого легкого из известных белых карликов J0917+46, о котором речь пойдет ниже.

Затменные двойные звезды (включая, естественно, и белые карлики), если так можно выразиться, очень выгодны для наблюдений. Фотометрические промеры кривой блеска такой пары позволяют точно определить частоту затмений, а тем самым и ее орбитальный период. Не вдаваясь в подробности, отмечу, что эта информация вкупе с данными об орбитальных скоростях звезд (которые измеряются по смещению спектральных линий на основе эффекта Доплера) сильно облегчает определение их масс и геометрических характеристик орбит. В двух описанных случаях астрономам очень помогло то обстоятельство, что обе орбиты видны почти с ребра (угол между перпендикуляром к плоскости орбиты и лучом зрения равен 84° для системы ZTF J1539+5027 и 87° для WD J0651+2844). Такое расположение орбит сильно способствует спектроскопическому определению орбитальных скоростей.

ZTF J1539+5027, как и прочие тесные пары белых карликов, интенсивно излучает гравитационные волны. К сожалению, их невозможно детектировать ни уже действующими гравитационными антеннами LIGO и Virgo, ни их будущими партнерами, которые, скорее всего, построят и запустят в следующем десятилетии. Дело здесь даже не в слабости гравитационно-волновых сигналов от таких пар, а в их низкочастотности. Частота гравитационного излучения звездной пары приблизительно (а если звезды обращаются по круговым орбитам, то точно) равна удвоенной частоте орбитального вращения. Поскольку орбитальные периоды тесных пар белых карликов составляют минуты или десятки минут, соответствующие частоты измеряются тысячными долями герца (миллигерцами). В этом и состоит препятствие, так как чувствительность любых наземных детекторов гравитационных волн ограничена снизу частотами порядка герца. Такое ограничение накладывают сейсмические шумы нашей планеты, которые невозможно устранить никакими демпфирующими устройствами.

Однако положение вовсе не безнадежно. Гравитационные сигналы спаренных белых карликов можно будет засечь с помощью космической гравитационной обсерватории LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которая, как предполагается, может быть запущена где-то около 2034 г. Эти наблюдения позволят получить дополнительную информацию о параметрах системы ZTF J1539+5027 и надежно определить ее расстояние до Солнца. Вытекающие отсюда возможности детально проанализированы в статье Тайсона Литтенберга и Нила Корниша «Перспективы измерения гравитационных волн ZTF J1539+5027» (Prospect for Gravitational Wave Measurement of ZTF J1539+5027), которая 23 августа 2019 г. появилась в The Astrophysical Journal Letters. Поскольку о системе ZTF J1539+5027 сейчас известно очень много, она сможет послужить своего рода опорной базой для наблюдений на интерферометре LISA. Литтенберг и Корниш полагают, что собранные сведения помогут уточнить скорость распространения гравитационных волн. Согласно ОТО, она равна скорости света, однако некоторые теории допускают несовпадение этих скоростей. Выявление таких различий стало бы открытием фундаментальной важности. Напротив, если новые измерения покажут, что обе скорости могут разниться намного меньше, чем допускали результаты прежних наблюдений, фундамент ОТО вновь укрепится.

Двойные системы HM Рака и V407 Vul были открыты благодаря детектированию периодических всплесков рентгеновского излучения, исходящего из этих систем. В обоих случаях оно генерируется из-за аккреции плазмы с одного из карликов на поверхность другого. Система ZTF J1539+5027, напротив, не является рентгеновским источником, что свидетельствует об отсутствии значительной аккреции — по крайней мере, в настоящее время. А далее возможны варианты. Сейчас орбитальный период этой пары каждую секунду уменьшается приблизительно на 2,7 × 10–11 секунд — это 0,85 миллисекунды за год. Согласно вычислениям, через 130 000 лет он дойдет примерно до пяти минут. Как утверждают авторы упоминавшейся выше статьи в Nature, на этом этапе начнется интенсивный перенос вещества с легкого карлика (имеющего, напомню, больший радиус) на массивный. Дальнейшая судьба этой системы будет зависеть от характера переноса, который однозначно не прогнозируется.

Существование столь тесных пар белых карликов может показаться удивительным, но на самом деле это вполне рядовая ситуация. Они рождаются в результате естественной эволюции двойных систем со сближающимися звездами главной последовательности. Такое сближение происходит в результате повторяющихся обменов вещества, которое перетекает от звезды к звезде через горловины Роша. При подходящих условиях оно приводит к потере двойной системой момента импульса и уменьшению дистанции между членами пары. Как показывают компьютерные симуляции, даже при начальном межзвездном расстоянии в несколько десятков или сотен миллионов километров, оно всего лишь за 10–100 миллионов лет может дойти до нескольких сотен тысяч или максимум миллиона километров. На этой стадии звезды могут превратиться в белые карлики, которые будут сближаться еще быстрее за счет испускания гравитационных волн.

И это отнюдь не только теория. В последние годы в нашей Галактике были обнаружены десятки очень тесных двойных систем с периодами продолжительностью всего лишь в несколько часов. Со временем они превратятся в совсем уж тесные пары белых карликов.

Могут ли белые карлики располагать планетами или даже — чем черт не шутит — планетными системами? До недавнего времени это считалось лишь теоретически возможным. На что указывало наблюдение белых карликов, окруженных газопылевыми дисками, — карликов с такими свитами известно не так много, но они, вне всякого сомнения, существуют. А в таких дисках в принципе могут обретаться и тела макроскопических размеров.

Информация о возможном открытии первого такого тела была обнародована весной 2019 г. Кристофер Мансер и его коллеги обнаружили периодические сдвиги спектральных линий излучения горячего диска, окружающего белый карлик SDSS J122859.93+104032.9, удаленный от Солнца на 400 световых лет. Они интерпретировали их как результат возмущений вещества диска, вносимых движением тела диаметром от 4 до 600 км, которое обращается вокруг карлика на очень малой высоте — от 2 до 200 км. По масштабам Солнечной системы это не планета, а только астероид, но все же не из самых малых.

А в самом конце 2019 г. появилось куда более сенсационное сообщение. Команда астрофизиков из Британии, ФРГ и Чили объявила о вероятном открытии крупной планеты, обращающейся на близком расстоянии от горячего белого карлика WDJ0914+1914 из созвездия Рака, отделенного от нас дистанцией в 1500 световых лет. Как показали наблюдения на телескопе Very Large Telescope, принадлежащем Европейской южной обсерватории (Чили), он окружен газовым диском, состоящим в основном из водорода, кислорода и серы. Карлик стягивает на себя (аккрецирует) вещество диска в количестве 3300 тонн за секунду. Ученые полагают, что источником этого газа служит планета с массой порядка массы Нептуна, которая обращается вокруг белого карлика по эллиптической орбите с большой полуосью в 15 солнечных радиусов (приблизительно 10 млн км). Излучение карлика испаряет ее газовую оболочку и тем самым обеспечивает устойчивую аккрецию из диска на его поверхность.

Авторы статьи в Nature смоделировали будущее этой странной пары. Сейчас поверхность WDJ0914+1914 нагрета до 27 750 K. Через 350 млн лет он остынет настолько, что атмосфера планеты-спутника практически перестанет испаряться. Планета к тому времени потеряет не более 4% своей первоначальной массы.

Правда, сателлит белого карлика WDJ0914+1914 был обнаружен по косвенным признакам, и потому его открытие пока не вполне достоверно. Однако уже в сентябре 2020 г. в журнале Nature появилось сообщение о другом белом карлике, чей спутник удалось отловить с помощью прямых оптических наблюдений. Это старый и довольно холодный белый карлик WD1856+534, удаленный от Земли на 81 световой год. Вокруг него на небольшой дистанции обращается крупное небесное тело с радиусом в 10 раз больше земного, которое делает один оборот всего за 34 часа. Оно периодически и весьма сильно экранирует доходящий до Земли свет белого карлика, чем и выявляет свое присутствие на близкой к карлику орбите. Его массу пока измерить не удалось, но она наверняка не превышает 14 масс Юпитера. Авторы статьи в Nature считают, что новооткрытый спутник белого карлика WD1856+534, скорее всего, представляет из себя планету юпитерианского типа, однако в принципе может оказаться и легким коричневым карликом. Интересно, что сам белый карлик имеет компаньонов и посолиднее, поскольку входит в состав тройной звездной системы. Так что теперь наличие планет вокруг белых карликов можно считать если не полностью доказанным, то, во всяком случае, куда более вероятным.