Большинство звёзд в нашей Вселенной образуют пары. Наше Солнце — одиночка, но многие звёзды, подобные нашему Солнцу, вращаются вокруг похожих звёзд, в то время как множество других экзотических пар между звёздами и космическими шарами пестрят во Вселенной. Например, чёрные дыры часто вращаются друг вокруг друга. Один тип пар, встречающихся довольно редко — это пара между звездой, похожей на Солнце, и одним из разновидностей потухшей звезды, называемой нейтронной звездой.
Теперь астрономы под руководством Карима Эль-Бадри из Калифорнийского технологического института обнаружили 21 нейтронную звезду на орбите вокруг звёзд, подобных нашему Солнцу. Нейтронные звёзды — это плотные выгоревшие ядра массивных звёзд, которые когда-то взорвались. Сами по себе они очень тусклые и обычно их нельзя обнаружить напрямую. Но когда нейтронная звезда вращается вокруг звезды, похожей на Солнце, она тянет за собой своего спутника, заставляя звезду смещаться по небосводу туда-сюда. С помощью миссии «Гайя» Европейского космического агентства астрономам удалось уловить эти заметные колебания и обнаружить новую популяцию тёмных нейтронных звёзд.
««Гайя» постоянно сканирует небо и измеряет колебания более миллиарда звёзд, так что шансы найти даже очень редкие объекты велики», — говорит Эль-Бадри, доцент астрономии в Калифорнийском технологическом институте и адъюнкт-учёный в Институте астрономии Макса Планка в Германии.
Новое исследование, в котором участвует группа соавторов со всего мира, было опубликовано в журнале The Open Journal for Astrophysics. Данные с нескольких наземных телескопов, включая обсерваторию У. М. Кека на Маунакеа (Гавайи), обсерваторию Ла Силла в Чили и обсерваторию Уиппл в Аризоне, были использованы для того, чтобы проследить за наблюдениями «Гайя» и узнать больше о массах и орбитах скрытых нейтронных звёзд.
Хотя нейтронные звёзды и раньше обнаруживались на орбитах вокруг звёзд, подобных нашему Солнцу, все эти системы были более компактными. При небольшом расстоянии, разделяющем два тела, нейтронная звезда (которая тяжелее солнцеподобной звезды) может отбирать массу у своего партнёра. Этот процесс переноса массы заставляет нейтронную звезду ярко светить в рентгеновском или радиодиапазоне. В отличие от этого, нейтронные звёзды в новом исследовании находятся гораздо дальше от своих партнёров — расстояние между Землёй и Солнцем в один-три раза больше.
Эта анимация изображает бинарную звёздную систему, в которой массивная компактная нейтронная звезда вращается вокруг более крупной солнцеподобной звезды. Сильная гравитация этой нейтронной звезды высокой плотности вызывает значительные эффекты искривления, которые искажают вид неба вокруг неё, что не похоже на то, что происходит вокруг более компактных чёрных дыр.
Это означает, что новообретённые звёздные трупы находятся слишком далеко от своих партнёров, чтобы воровать у них материал. Вместо этого они находятся в состоянии покоя и темноты. «Это первые нейтронные звёзды, обнаруженные исключительно благодаря их гравитационному воздействию», — говорит Эль-Бадри.
Открытие оказалось несколько неожиданным, поскольку неясно, как взорвавшаяся звезда оказывается рядом с такой звездой, как наше Солнце.
«У нас до сих пор нет полной модели того, как образуются эти двойные звёзды», — объясняет Эль-Бадри. «В принципе, прародитель нейтронной звезды должен был стать огромным и взаимодействовать со звездой солнечного типа на поздней стадии своей эволюции». Огромная звезда должна была повалить маленькую звезду и, вероятно, временно поглотить её. Позже прародитель нейтронной звезды взорвался бы в сверхновой, что, согласно моделям, должно было бы развязать бинарные системы, отправив нейтронные звёзды и звезды солнечного типа в противоположные стороны.
«Открытие этих новых систем показывает, что по крайней мере некоторые двойные звёзды выживают в этих катаклизмических процессах, хотя модели пока не могут полностью объяснить, как это происходит», — говорит он.
«Гайя» смогла найти маловероятных компаньонов благодаря их широким орбитам и длительным периодам (солнцеподобные звёзды обращаются вокруг нейтронных звёзд с периодами от шести месяцев до трёх лет).
На этой анимации солнцеподобные звёзды окрашены в зелёный цвет, а нейтронные звёзды (и их орбиты) — в фиолетовый.
«Если тела расположены слишком близко, колебания будут слишком малы, чтобы их обнаружить», — говорит Эль-Бадри. «С «Гайя» мы более чувствительны к более широким орбитам». «Гайя» также наиболее чувствительна к бинарным системам, расположенным относительно недалеко. Большинство недавно обнаруженных систем находятся в пределах 3 000 световых лет от Земли — относительно небольшое расстояние по сравнению, например, с диаметром галактики Млечный Путь в 100 000 световых лет.
Новые наблюдения также позволяют предположить, насколько редки такие пары. «По нашим оценкам, примерно одна из миллиона звёзд солнечного типа вращается вокруг нейтронной звезды по широкой орбите», — отмечает он.
Эль-Бадри также заинтересован в поиске невидимых спящих чёрных дыр на орбите солнцеподобных звёзд. Используя данные «Гайя», он обнаружил две такие тихие чёрные дыры, скрытые в нашей галактике. Одна из них, названная «Гайя» BH1, находится на расстоянии 1600 световых лет от Земли и является самой близкой из известных чёрных дыр.
«Мы не знаем точно, как образовались эти двойные чёрные дыры», — говорит Эль-Бадри. В наших моделях эволюции бинарных звёзд явно есть пробелы». Если мы найдём больше таких тёмных компаньонов и сравним статистику их населения с предсказаниями различных моделей, это поможет нам понять, как они формируются».