Исследование 26 000 мертвых звезд подтверждает ключевые детали экстремального звездного поведения
Концептуальное искусство двух белых карликов с одинаковой массой, но разной температурой. Более горячая звезда (слева) немного пухлее, а более холодная звезда (справа) более компактна. Автор: Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins University.
Бе́лые ка́рлики — звёзды, состоящие из электронно-ядерной плазмы, лишённые источников термоядерной энергии и светящиеся благодаря своей тепловой энергии, постепенно остывая в течение миллиардов лет.
Ближайший известный белый карлик — Сириус B, находящийся на расстоянии в 8,6 световых лет. Предполагается, что среди ста ближайших к Солнцу звёздных систем белыми карликами являются восемь звёзд. В настоящее время белые карлики составляют, по разным оценкам, от 3 до 10 % звёздного населения нашей галактики (неопределённость оценки обусловлена трудностью наблюдения удалённых белых карликов из-за их малой светимости). Википедия
Результаты исследования приближают ученых на один шаг к использованию этих звездных объектов в качестве естественных лабораторий для исследования эффектов экстремальной гравитации и поиска экзотических частиц темной материи. Подробности исследования, проведенного Университетом Джонса Хопкинса, опубликованы в The Astrophysical Journal.
«Белые карлики — одни из наиболее хорошо изученных звезд, с которыми мы можем работать, чтобы проверить эти базовые теории заурядной физики в надежде, что, возможно, нам удастся найти что-то необычное, указывающее на новую фундаментальную физику», — сказала Николь Крамплер, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса, которая руководила работой.
«Если вы хотите искать темную материю, квантовую гравитацию или другие экзотические вещи, вам лучше понять обычную физику. В противном случае, что-то, что кажется новым, может оказаться просто новым проявлением эффекта, который мы уже знаем».
Белые карлики — это ядра звезд, которые когда-то были похожи на наше солнце, но которые исчерпали весь водород, когда-то использовавшийся в качестве ядерного топлива. Эти раздетые звезды настолько плотные, что чайная ложка их материала весит более тонны, что намного тяжелее обычной материи. При такой плотной упаковке массы их гравитационное притяжение может быть в сотни раз сильнее земного.
Исследование основывалось на измерениях того, как эти экстремальные условия влияли на световые волны, испускаемые белыми карликами. Свет, удаляющийся от таких массивных объектов, теряет энергию в процессе выхода из гравитации, постепенно становясь краснее. Этот эффект «красного смещения» растягивает световые волны как резину способами, которые могут измерить телескопы. Он является результатом искривления пространства-времени, вызванного экстремальной гравитацией, как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна.
Усредняя измерения движений белых карликов относительно Земли и группируя их по гравитации и размеру, команда выделила гравитационное красное смещение, чтобы измерить, как более высокие температуры влияют на объем их газообразных внешних слоев.
Исследование продолжает усилия той же группы из Университета Джонса Хопкинса. Их исследование 2020 года, проведенное среди 3000 белых карликов, подтвердило, что звезды сжимаются по мере набора массы из-за «давления вырождения электронов», квантово-механического процесса, который сохраняет их плотные ядра стабильными в течение миллиардов лет без необходимости ядерного синтеза, который обычно поддерживает наше Солнце и другие типы звезд.
Крамплер отметил, что до сих пор у команды не было достаточно данных, чтобы с уверенностью подтвердить более тонкое, но важное влияние более высоких температур на эту зависимость массы от размера.
Исследование объединяет наблюдения из Sloan Digital Sky Survey, который использует телескопы в Чили и Нью-Мексико, и миссии Gaia Европейского космического агентства. Оба проекта непрерывно картографируют и отслеживают миллионы звезд, галактик и других космических объектов.
«Следующим рубежом может стать обнаружение чрезвычайно тонких различий в химическом составе ядер белых карликов разной массы», — сказала Надя Закамска, профессор астрофизики Университета Джонса Хопкинса, руководившая исследованием.
«Мы не до конца понимаем, какой максимальной массой может обладать звезда, чтобы образовать белый карлик, в отличие от нейтронной звезды или черной дыры. Эти все более точные измерения могут помочь нам проверить и уточнить теории об этом и других плохо изученных процессах в эволюции массивных звезд».
Наблюдения также могут помочь в попытках обнаружить признаки темной материи, такие как аксионы или другие гипотетические частицы, сказал Крамплер. Предоставляя более подробную картину структур белых карликов, команда могла бы использовать эти данные для обнаружения сигнала определенной модели темной материи, которая приводит к интерференционной картине в нашей галактике.
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества затрудняет и, возможно, даже делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик. Википедия
Несмотря на то, что темная материя обладает гравитацией, она не излучает свет или энергию, которые могут увидеть телескопы. Ученые знают, что она составляет большую часть материи в космосе, поскольку ее гравитация влияет на звезды, галактики и другие космические объекты подобно тому, как Солнце влияет на орбиту нашей планеты.
«Мы бились головой об стену, пытаясь понять, что такое темная материя, но я бы сказал, что у нас нет ни единой мысли», — сказал Крамплер.
«Мы знаем очень многое из того, чем не является темная материя, и у нас есть ограничения на то, что она может делать, а что нет, но мы все еще не знаем, что это такое. Вот почему так важно понимать более простые астрофизические объекты, такие как белые карлики, потому что они дают надежду на открытие того, чем может быть темная материя».
Больше информации: Detection of the Temperature-dependence of the White Dwarf Mass-radius Relation with Gravitational Redshifts, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad8ddc
Источник: Johns Hopkins University
0 комментариев