Вченим довелося довго з’ясовувати, чому одна з невеликих зірок південної півкулі неба виглядає порівняно молодо, тому що хімічний склад видає її справжній, дуже солідний вік. Схоже, це одна з тих зірок, які часто зустрічають у густонаселених скупченнях, — так званий блакитний волоцюга. Він не просто раптово став молодшим, а насправді колись «переродився» і зараз мешкає своє друге життя.

Розташована в 53 світлових роках від нас у сузір’ї Кіля HD 65907 — потрійна зіркова система, в якій спостерігають, здавалося б, звичайні, середньостатистичні екземпляри: жовто-білий карлик з масою приблизно як у Сонця і двох ще менш потужних побратимів. жовто-білого карлика накопичилися питання.

Насамперед важко було зрозуміти, скільки років зірці. Якщо судити за яскравістю та температурою, виходить, що приблизно п’ять мільярдів років. При сонцеподібній масі це вік ще далеко не похилий: нашому Сонцю приблизно стільки ж, і воно у розквіті свого термоядерного синтезу. За розрахунками, благополучно протримається ще п’ять мільярдів років.

Тим часом інша характеристика найбільшої зірки системи HD 65907 повністю спантеличує — її хімічний склад, який астрономи вміють розпізнавати шляхом ретельного аналізу спектра зіркового світла: кожен хімічний елемент залишає на ньому особливу «відмітку». З’ясувалося, що у цій зірці підозріло мало так званих металів, якими астрономи називають усі, крім водню та гелію.

Чому за кількістю цих «важких елементів» судять про вік зірки: спочатку у Всесвіті, крім водню, гелію та невеликої кількості літію, не було жодних речовин. Решта таблиці Менделєєва виникла згодом у результаті термоядерних реакцій у зірках, вибухів наднових, зіткнень світил. Тому найперше покоління світил у Всесвіті було виключно воднево-гелієвим, а кожне наступне народжувалося з дедалі більш хімічно багатої та різноманітної сировини.

З погляду хімії HD 65907 виглядає так, ніби вона належить до одного з перших поколінь: її «хімічний вік» оцінили в 11 мільярдів років. Тобто не те щоб у ній був лише суцільний водень та гелій, але інших елементів – просто мізерні кількості. Скажімо, літію в ній виявилося щонайменше разів на шість менше, ніж у Сонці, берилію — у 15 разів менше.

У нещодавній статті для журналу Astronomy & Astrophysics (доступна на сервері препринтів Корнеллського університету) дослідники з Бразилії та Австралії поділилися цікавою пропозицією про те, як можна вирішити цю головоломку: вони вважали, що в сузір’ї Кіля спостерігається ще один приклад рідкісного та зовсім незвичайного типу зірок — Так званих блакитних волоцюг.

Вони дійсно «блакитніші» і гарячіші, ніж повинні бути при своїй масі та віці. Виходить, вони з якихось причин занадто довго живуть або, краще сказати, довго залишаються молодими. Астрономи звернули увагу, що такі зірки найчастіше знаходять у кульових зоряних скупченнях — сферах, які досить щільно заповнені дуже старими, насправді вже «померлими» світилами: білими карликами, нейтронними зірками. Все це колишні ядра зірок, що стиснулися.

Є версія, що «блакитні волоцюги» виникають внаслідок зіткнень і злиття білих карликів: речовина двох «мертвих» зірок так «струшується» і розжарюється, що в єдиній зірці, що вийшла, знову запускаються термоядерні реакції. Саме це, на думку астрофізиків, трапилося з HD 65907: вона походить від двох карликових зірок, які утворилися 11 мільярдів років тому, а п’ять мільярдів років тому зустрілися і злилися докупи.

Правда, ця гадана «воскресла» зірка розташована не в густонаселеному скупченні, де легко з кимось зіткнутися, але є підозра, що вона об’єдналася з власним компаньйоном. Отже, спочатку це була не потрійна, а четверна система. Астрофізики наголосили, що зіркові квартети у космосі теж іноді зустрічаються.

Нове дослідження понад 26 000 білих карликів нарешті підтвердило непомітне, давно передбачуване явище: гарячіші білі карлики трохи більші за холодніші, навіть якщо вони мають однакову масу. Дослідження під керівництвом експертів з Університету Джона Хопкінса підтверджує ключовий аспект того, як ці неймовірно щільні залишки зірок поводяться під дією екстремальної гравітації. 

Мертві зірки і пошуки темної матерії 

Дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal, закладає важливу основу для використання білих карликів як астрофізичних лабораторій для вивчення фундаментальної фізики та пошуку невловимої темної матерії.

«Білі карлики є одними з найкраще охарактеризованих зірок, з якими ми можемо працювати, щоб перевірити ці фундаментальні теорії звичайної фізики в надії, що, можливо, ми зможемо знайти щось дивне, що вказує на нову фундаментальну фізику», — сказала Ніколь Крамплер, Астрофізик Джонса Гопкінса, який керував роботою. 

«Якщо ви хочете шукати темну матерію, квантову гравітацію чи інші екзотичні речі, вам краще розуміти нормальну фізику. Інакше те, що здається новим, може бути лише новим проявом ефекту, який ми вже знаємо».

Мертві зірки з величезною щільністю 

Білі карлики — це залишки колись схожих на сонце зірок, які спалили своє ядерне паливо. Ці урізані ядра настільки компактні, що чайна ложка їх речовини важить більше тонни. 

Така величезна щільність створює гравітаційне тяжіння в сотні разів сильніше, ніж земне, що глибоко впливає на фізику світла та матерії поблизу. Дослідники покладалися на те, як світло, що виходить із цих мертвих зірок, стає розтягнутим – «червоним зсувом» – у міру боротьби з інтенсивним гравітаційним полем, явище, передбачене загальною теорією відносності Ейнштейна. 

Досліджуючи червоне зміщення та розуміючи гравітацію зірок, команда могла роз’єднати різні впливи на розмір білих карликів.

Як температура впливає на мертві зірки

Новий результат базується на дослідженні тієї ж групи 2020 року, яке підтвердило, що білі карлики зменшуються, коли набирають масу, через «тиск виродження електронів» — квантово-механічний ефект, який стабілізує їх ядра.  Однак досі вченим не вистачало даних, щоб впевнено підтвердити більш тонкий ефект температури.

У цьому дослідженні дослідники використовували дані цифрового огляду неба Слоуна та місії Gaia Європейського космічного агентства, які постійно картографують мільйони космічних об’єктів.  Ретельно усереднюючи вимірювання руху білих карликів і групуючи зірки відповідно до їх маси та гравітації, команда виділила, як температура впливає на об’єми зірок. 

Аналіз показує, що більш гарячі білі карлики трохи «роздуваються» порівняно з більш холодними, підтверджуючи давно передбачуваний ефект. Уявлення про еволюцію масивних зірок Наслідки виходять за рамки підтвердження існуючих теорій. Білі карлики можуть допомогти дослідникам зрозуміти процеси в еволюції масивної зірки, включно з тим, що визначає, чи зірка закінчить своє життя як білий карлик, нейтронна зірка або чорна діра.

«Наступною межею може бути виявлення надзвичайно тонких відмінностей у хімічному складі ядер білих карликів різної маси», — сказала Надя Закамська, професор астрофізики Джона Гопкінса, яка керувала дослідженням.  «Ми не зовсім розуміємо максимальну масу, яку може мати зірка, щоб утворити білого карлика, на відміну від нейтронної зірки або чорної діри». «Ці все більш точні вимірювання можуть допомогти нам перевірити та вдосконалити теорії про цей та інші погано вивчені процеси в еволюції масивних зірок».

Крок до виявлення темної матерії

Крамплер та її команда також розглядають це краще розуміння фізики білих карликів як сходинку до виявлення темної матерії, невидимої речовини, яка, як вважають, становить більшу частину матерії Всесвіту. Якщо певні моделі темної матерії впливають на структури зірок передбачуваним чином, порівняння білих карликів у різних регіонах галактики може виявити тонкі закономірності.

«Ми билися головами об стіну, намагаючись з’ясувати, що таке темна матерія, але я б сказав, що у нас Джек Діддлі присів», — сказав Крамплер.  «Ми знаємо багато про те, чим не є темна матерія, і ми маємо обмеження щодо того, що вона може, а що ні, але ми все ще не знаємо, що це таке. Ось чому розуміння простіших астрофізичних об’єктів, таких як білі карликові зірки, є таким важливим, оскільки вони дають надію виявити, чим може бути темна матерія».

Глибше розуміння Всесвіту

Екстремальні умови білих карликів забезпечують унікальний тестовий стенд для вивчення як повсякденної, так і екзотичної фізики. Підтверджуючи цей тонкий зв’язок між температурою та розміром, нове дослідження зміцнює основу, на якій можуть спиратися вчені, шукаючи найбільш невловимі таємниці Всесвіту – будь то природа темної матерії, квантова гравітація чи життєвий цикл зірок.

Завдяки постійному вдосконаленню даних дослідники стали на крок ближче до розкриття повного потенціалу цих надщільних космічних залишків, гарантуючи, що те, що може здатися звичайним, на перший погляд, може допомогти висвітлити надзвичайні істини, приховані в космосі.