Международная исследовательская группа под руководством Венского университета совершила большой прорыв. В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Astronomy, участники группы описывают, как провели первые прямые измерения звёздного ветра в трёх звёздных системах, похожих на Солнце. Используя данные о рентгеновском излучении, полученные рентгеновским многозеркальным аппаратом ЕКА XMM-Newton (XMM-Newton) в «астросферах» этих звёзд, они измерили скорость потери массы этими звёздами за счёт звёздного ветра. Изучение совместного развития звёзд и планет может помочь в поисках жизни, а также поможет астрономам предсказать будущую эволюцию нашей Солнечной системы.
Исследование проводилось под руководством Кристины Кисляковой, старшего научного сотрудника кафедры астрофизики Венского университета, заместителя руководителя группы формирования звёзд и планет и ведущего координатора программы ERASMUS+. К ней присоединились астрофизики из Венского университета, Лаборатории атмосферных явлений, миль и пространственных наблюдений (LAMOS) при Университете Сорбонны, Университета Лестера и Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (JHUAPL).
Астросферы — это аналоги гелиосферы нашей Солнечной системы, внешнего атмосферного слоя Солнца, состоящего из горячей плазмы, вытесняемой солнечными ветрами в межзвёздную среду (МЗС). Эти ветры приводят в движение многие процессы, в результате которых атмосферы планет утекают в космос (происходит потеря массы атмосферами). При условии, что атмосфера планеты регулярно пополняется и/или имеет защитную магнитосферу, эти ветры могут стать решающим фактором, отделяющим пригодную для жизни планету от безжизненного каменного шара.
Хотя звёздные ветры состоят в основном из протонов, электронов и альфа-частиц, они также содержат следовые количества тяжёлых ионов и атомных ядер, таких как углерод, азот, кислород, кремний и даже железо. Несмотря на их важность для звёздной и планетарной эволюции, ветры звёзд, похожих на Солнце, трудно поддаются обнаружению. Однако известно, что эти более тяжёлые ионы захватывают электроны из нейтрального водорода, пронизывающего МЗС, что порождает рентгеновское излучение. Используя данные миссии XXM-Newton, Кислякова и её команда обнаружили такие выбросы у других звёзд.
Ими оказались 70 Ophiuchi, Epsilon Eridani и 61 Cygni — три звезды главной последовательности, похожие на Солнце, расположенные на расстоянии 16,6, 10,475 и 11,4 световых лет от Земли (соответственно). В то время как 70 Ophiuchi и 61 Cygni представляют собой бинарные системы из двух звёзд K-типа (оранжевых карликов), Эпсилон Эридани — одиночная звезда K-типа. Наблюдая спектральные линии ионов кислорода, исследователи смогли напрямую оценить общую массу звёздного ветра, испускаемого всеми тремя звёздами. Для трёх исследованных звёзд они оценили скорость потери массы в 66,5±11,1, 15,6±4,4 и 9,6±4,1 раза больше скорости потери массы Солнцем, соответственно.
Короче говоря, это означает, что ветры от этих звёзд гораздо сильнее, чем у нашего Солнца, что может быть следствием более сильной магнитной активности этих звёзд. Как пишет Кислякова в пресс-релизе Венского университета:
«В Солнечной системе эмиссия обмена зарядами солнечного ветра наблюдалась от планет, комет и гелиосферы и представляет собой естественную лабораторию для изучения состава солнечного ветра. Наблюдать эту эмиссию у далёких звёзд гораздо сложнее из-за слабости сигнала. Кроме того, из-за расстояния до звёзд очень сложно отделить сигнал, излучаемый астросферой, от реального рентгеновского излучения самой звезды, часть которого "разбрасывается" по полю зрения телескопа из-за инструментальных эффектов».
Для своего исследования Кислякова и её команда также разработали новый алгоритм для разделения вкладов звёзд и их астросфер в спектры излучения. Это позволило им обнаружить сигналы обмена зарядами между ионами кислорода звёздного ветра и нейтральным водородом в окружающем ISM. Это первый случай прямого обнаружения рентгеновской эмиссии обмена зарядами от внесолнечных астросфер. Более того, полученные ими оценки скорости потери массы могут быть использованы астрономами в качестве эталона для моделей звёздного ветра, расширяя те немногие наблюдательные данные, которые имеются для ветров солнцеподобных звёзд. Как отметил соавтор работы Мануэль Гюдель (Manuel Güdel), также сотрудник Венского университета:
«В течение трёх десятилетий во всём мире предпринимались попытки обосновать наличие ветров вокруг звёзд, подобных Солнцу, и измерить их силу, но до сих пор лишь косвенные свидетельства, основанные на их вторичном воздействии на звезду или её окружение, указывали на существование таких ветров; наша группа ранее пыталась обнаружить радиоизлучение от ветров, но смогла установить лишь верхние пределы силы ветров, не обнаружив самих ветров. Наши новые результаты, основанные на рентгеновском излучении, открывают путь к прямому обнаружению и даже визуализации этих ветров и изучению их взаимодействия с окружающими планетами».
В будущем этот метод прямого обнаружения звёздных ветров станет проще благодаря миссиям нового поколения, таким как европейская миссия Athena. Эта миссия будет включать в себя рентгеновский спектрометр с высоким разрешением (X-IFU), который Athena будет использовать для определения более тонкой структуры и соотношения слабых эмиссионных линий, которые трудно различить с помощью инструментов XMM-Newton. Это позволит получить более подробную картину звёздных ветров и астросфер далёких звёзд, что поможет астрономам определить их потенциальную обитаемость, а также улучшить модели эволюции Солнца.