Обнаружены первые пары двойных звёзд главной последовательности в скоплениях

На этом снимке с телескопа ALMA показана звездная система HD101584 и сложные газовые облака, окружающие двойную систему. Это результат того, что пара звезд разделяет общий внешний слой в последние мгновения своей жизни. Автор: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Olofsson et al / Robert Cumming

Астрономы из Университета Торонто (U of T) обнаружили первые пары белых карликов и звезд главной последовательности — «мертвые» остатки и «живые» звезды — в молодых звездных скоплениях. Описанный в новом исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal, этот прорыв предлагает новое понимание экстремальной фазы звездной эволюции и одной из самых больших загадок в астрофизике.

Ученые теперь могут начать преодолевать разрыв между самыми ранними и последними стадиями двойных звездных систем — двух звезд, которые вращаются вокруг общего центра тяжести, — чтобы углубить наше понимание того, как формируются звезды, как развиваются галактики и как было создано большинство элементов в периодической таблице. Это открытие также может помочь объяснить космические события, такие как взрывы сверхновых и гравитационные волны, поскольку считается, что двойные системы, содержащие одну или несколько таких компактных мертвых звезд, являются источником таких явлений.

Большинство звезд существуют в двойных системах. Фактически, почти половина всех звезд, похожих на наше Солнце, имеет по крайней мере одну звезду-компаньон. Эти парные звезды обычно различаются по размеру, причем одна звезда часто массивнее другой. Хотя можно было бы предположить, что эти звезды развиваются с одинаковой скоростью, более массивные звезды, как правило, живут короче и проходят стадии звездной эволюции гораздо быстрее, чем их компаньоны с меньшей массой.

На этапе, когда звезда приближается к концу своей жизни, она расширяется до сотен или тысяч раз от своего первоначального размера во время того, что мы называем фазами красного гиганта или асимптотической ветви гигантов. В тесных двойных системах это расширение настолько драматично, что внешние слои умирающей звезды иногда могут полностью поглотить ее компаньона. Астрономы называют это фазой общей оболочки, поскольку обе звезды оказываются обернутыми в один и тот же материал.

Фаза общей оболочки остается одной из самых больших загадок в астрофизике. Ученые изо всех сил пытались понять, как звезды, сближающиеся в течение этого критического периода, влияют на последующую эволюцию звезд. Это новое исследование может разрешить эту загадку.

Остатки, оставшиеся после смерти звезд, представляют собой компактные объекты, называемые белыми карликами. Обнаружение этих систем с пост-общей оболочкой, содержащих как «мертвый» звездный остаток, так и «живую» звезду — также известных как двойные звезды главной последовательности белого карлика — предоставляет уникальный способ исследования этой экстремальной фазы звездной эволюции.

«Двойные звезды играют огромную роль в нашей Вселенной», — говорит ведущий автор Стефани Грондин, аспирант кафедры астрономии и астрофизики Дэвида А. Данлэпа в Университете Торонто. «Эта наблюдательная выборка знаменует собой первый важный шаг на пути к тому, чтобы позволить нам проследить полные жизненные циклы двойных звезд и, как мы надеемся, позволит нам ограничить самую загадочную фазу звездной эволюции».

Исследователи использовали машинное обучение для анализа данных из трех основных источников: миссии Gaia Европейского космического агентства — космического телескопа, изучившего более миллиарда звезд в нашей галактике, — а также наблюдений обзоров 2MASS и Pan-STARRS1. Этот объединенный набор данных позволил команде искать новые двойные в скоплениях с характеристиками, напоминающими характеристики известных пар белый карлик-главная последовательность.

Несмотря на то, что такие типы двойных систем должны быть очень распространены, их было сложно обнаружить, и до этого исследования было подтверждено только два кандидата в пределах скоплений. Это исследование имеет потенциал увеличить это число до 52 двойных в 38 звездных скоплениях.

Поскольку считается, что все звезды в этих скоплениях сформировались в одно и то же время, обнаружение этих двойных систем в рассеянных звездных скоплениях позволяет астрономам ограничить возраст систем и проследить их полную эволюцию от состояния до появления общей оболочки до наблюдаемых двойных систем в фазе после появления общей оболочки.

«Использование машинного обучения помогло нам выявить четкие сигнатуры для этих уникальных систем, которые мы не могли легко идентифицировать, имея всего несколько точек данных», — говорит соавтор Джошуа Спигл, профессор кафедры астрономии и астрофизики Дэвида А. Данлэпа и кафедры статистических наук в Университете Торонто. «Это также позволило нам автоматизировать наш поиск по сотням кластеров, задача, которая была бы невыполнимой, если бы мы пытались идентифицировать эти системы вручную».

«Это действительно показывает, как много в нашей Вселенной скрыто на виду — все еще ожидая своего открытия», — говорит соавтор Мария Драут, также профессор кафедры астрономии и астрофизики Дэвида А. Данлэпа в Университете Торонто. «Хотя существует множество примеров двойных систем такого типа, очень немногие из них имеют возрастные ограничения, необходимые для полного картирования их эволюционной истории. Хотя еще многое предстоит сделать для подтверждения и полной характеристики этих систем, эти результаты получат значение для многих областей астрофизики».

Двойные, содержащие компактные объекты, также являются прародителями экстремального звездного взрыва, называемого сверхновой типа Ia, и вида слияния, вызывающего гравитационные волны, которые являются рябью в пространстве-времени, которую можно обнаружить с помощью таких инструментов, как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO). Поскольку команда использует данные с телескопов Gemini, Keck и Magellan для подтверждения и измерения свойств этих двойных, этот каталог в конечном итоге прольет свет на многие неуловимые переходные явления в нашей Вселенной.

Больше информации: Steffani M. Grondin et al, The First Catalog of Candidate White Dwarf–Main-sequence Binaries in Open Star Clusters: A New Window into Common Envelope Evolution, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad7500

Источник: University of Toronto