Може бути спокусливо думати про зірки, які щоночі висвітлюють небо, як про позачасові. Професор астрономії Джон Торстенсен знає краще. Останні чотири десятиліття він провів, вивчаючи катаклізмічні подвійні зірки, пару зірок, що кружляють одна над одною на близькій відстані: що тліє мертва зірка, відому як білий карлик, і зірку, схожу на наше Сонце, у розквіті сил, яку витягли. на орбіту мертвої зірки.
Білий карлик поступово відсмоктує гарячий газ від свого супутника, утворюючи кільце, яке може спалахувати через випадкові проміжки часу. Для спостерігача на землі вони виглядають як одне ціле, з часом то яскравіше, то тьмяніше.
«Це нагадування про те, що зірки мають життєві цикли та еволюціонують з часом», — каже Торстенсен. «Навіть зірки не вічні».
Астрономи-любителі люблять катаклізмічні подвійні зірки, також відомі як катаклізмічні змінні зірки, або скорочено CV, оскільки їх періодичні виверження достатньо яскраві, щоб їх можна було побачити за допомогою звичайного телескопа. Їхня інтенсивність є основною причиною, чому Торстенсен зробив резюме справою свого життя, коли приїхав до Дартмута в 1980 році. Наразі їх підраховано понад 10 000, але детально описано лише частину.
Сьогодні астрономи розрахували орбітальні періоди близько тисячі CV. Орбітальний період — як правило, кілька годин — приблизно показує, наскільки близько розташовані дві зірки та де вони перебувають у своїй еволюції. За свою кар’єру Торстенсен виявив кілька власних катаклізмів і охарактеризував сотні інших, включаючи 30 «короткочасних» резюме в опитуванні 2020 року.
Останніми роками студенти приєдналися до Торстенсена в його полюванні за Програмою іноземних досліджень астрономії. Студенти проводять зимовий семестр в Кейптаунському університеті, відвідуючи уроки професорів астрономії Дартмута та занурюючись у культуру Південної Африки. Основним моментом є тижневий візит до південноафриканської астрономічної обсерваторії в Сазерленді, віддаленому місці за чотири години на північ від Кейптауна. Проїзд студентів до обсерваторії та назад, а також проживання були забезпечені щедрою пожертвою Клаудії та Джея Відів.
Під час одного з найпродуктивніших візитів Торстенсен і четверо студентів повернулися цієї весни з новими деталями про сім катаклізмів, які відбуваються на відстані приблизно від 1000 до 3000 світлових років від Землі. Їхні спостереження були опубліковані в The Astronomical Journal .
Відкриття сліпучого нічного неба Південної Африки
Південна Африка, розташована на далекій частині Африки, омивається бурхливим Південним океаном, відома своїми приголомшливими та часто віддаленими ландшафтами. Мабуть, він менш відомий своїм зірковим небом. Національна обсерваторія розташована на пустельному плато, де розміщено найбільший оптичний телескоп у південній півкулі та багато менших інструментів.
По дорозі туди поселення розростаються все далі й далі одне від одного. Як тільки сонце сідає, відсутність світла вражає. Щовечора студенти вирушали з гуртожитку зі своїми «нічними обідами». Після кілометрового походу вони доходили до обсерваторії, вмикали обладнання і чекали.
«Коли сонце заходить, стає так темно, що ви не бачите своїх рук», — каже Чейз Альварадо-Андерсон ’23, спеціаліст з астрономії з Далласа. «Тоді ваші очі пристосовуються, і воно відразу клацає. Небо виглядає як чорне полотно, забризкане білою фарбою».
Ебігейл Берроуз, колега з астрономії з Вашингтона, округ Колумбія, була так само вражена. «Якщо ви звикнете до темряви, небо вибухає на ваших очах», — каже вона. «Кожного разу, коли ви озираєтеся на певну точку, ви бачите все більше і більше зірок. Ми бачили Південний Хрест, великі та малі Магелланові Хмари, а рано вранці — Галактичну площину».
COVID-19 відклав поїздку на два роки. Коли прийшов останній рік, жоден студент не був впевнений, що зможе йти. Альварадо-Андерсон був в обсерваторії MDM на Кітт-Пік, неподалік від Тусона, якою Дартмут керує як частина консорціуму шкіл. Берроуз ніколи не був далі Європи. Цієї зими зірки зійшлися. У лютому минулого року, давно відпрацювавши передреквізити, вони полетіли до Кейптауна.
Торстенсен також був готовий. З каталогу з 10 000 цілей він вибрав CV, які здавалися відносно яскравими, маловідомими, і їх можна було спостерігати за допомогою відносно скромного обладнання. Телескоп 1940-х років, який вони використовували в дослідженні, мав 1,9-метрове дзеркало, крихітне порівняно зі знаменитим телескопом SALT обсерваторії. Але він все ще мав достатньо потужності, щоб зібрати необхідні вимірювання.
Встановлюється на телескоп як спектрограф, інструмент, який розділяє світло на різні кольори або довжини хвилі, подібно до того, як призма розділяє біле світло на веселку. Кількість світла, присутнього на кожній довжині хвилі, говорить вам, з чого складається зірка. Усі зірки містять водень, який світиться темно-червоним кольором, коли спостерігають випромінювання його альфа-спектральної лінії, і саме цей елемент дозволяє виміряти їхню швидкість. Коли зірка віддаляється від спостерігача, її світло розтягується на довшу, червонішу довжину хвилі; коли він рухається до спостерігача, його хвилі коротшають і зміщуються в бік синього.
Чим швидша зірка, тим більший зсув у довжині хвилі через ефект Доплера, явище, яке спричиняє зниження висоти звуку сирени, коли машина швидкої допомоги або пожежна машина віддаляється від вас. Вимірюючи мінливі довжини хвиль своїх цільових CV, студенти мали змогу відстежувати свої швидкості, що, своєю чергою, дозволяло їм обчислювати їхні орбітальні періоди.
Вони виявили, що всі сім їхніх катаклізмів були типовими, обертаючись один над одним за кілька годин, як правило, подорожуючи більше ніж 100 миль на секунду. Чотири зірки, які вони вивчали, були постійно яскравими, у класі, відомому як новоподібні змінні, тоді як інші були карликовими новими з невеликими спалахами.
«Ці системи мають схожу фізику, але залежно від того, який у вас тип вторинної зірки, вони можуть виглядати дуже різними», — каже Берроуз.
Кожне вимірювання може тривати години. Якщо вологість ставала надто високою, студентам доводилося вимикати телескоп.
Альварадо-Андерсон повернувся з поїздки зі своєю першою опублікованою статтею, знаннями астрономічних програм, таких як IRAF, PyRAF і ds9, і порадою щодо того, як скласти кваліфікаційний іспит для аспірантури. Зараз прямує до Стенфорда, щоб здобути ступінь доктора філософії. Альварадо-Андерсон, доктор планетології, каже, що ця поїздка підтвердила його любов до космосу та зірок.
Це також змінило його уявлення про білих карликів у центрі всіх резюме. Раніше він бачив щільне ядро мертвої зірки, у якої закінчилося паливо. Сьогодні він бачить зірку, яка, відсмоктуючи газ у свого сусіда, повернулася до життя.
«Це так цікаво думати про процес як про переродження», — каже він.