Введение

Звезды, подобные нашему Солнцу, по завершении своей жизни оставляют после себя мощные остатки, известные как белые карлики. Эти загадочные объекты могут трансформироваться в еще более экстремальные объекты — нейтронные звезды, которые состоят из самого плотного материала во Вселенной. Однако, для этого перехода необходимы особые условия, которые можно сравнить с ситуацией «Златовласки» в космосе.

Сущность белых карликов и нейтронных звезд

Белые карлики и нейтронные звезды образуются, когда звезды исчерпывают топливо для ядерного синтеза в своих ядрах, но их отличает масса. Звезды с массой, подобной солнечной, заканчивают свою жизнь, когда в их ядрах исчерпывается водород, что приводит к остановке ядерного синтеза и, как следствие, к коллапсу, в результате которого звезда сбрасывает свои внешние слои и становится белым карликом, массой, сопоставимой с солнечной, в размере, равном Земле.

Когда звезды, имеющие массу около восьми солнечных, исчерпывают водород, они создают достаточное давление и температуру, чтобы соединить образовавшийся гелий в более тяжелые элементы, заканчивая процесс образованием железного ядра. Финальный коллапс приводит к суперновой, создавая нейтронную звезду, масса которой составляет от одной до двух солнечных масс. Это традиционный путь формирования нейтронных звезд.

Путь от белого карлика к нейтронной звезде

Однако, существует ли мост между сценариями белых карликов и нейтронных звезд? Учёные долго подозревали, что такой путь существует, и новое исследование обозначает его как аккреционно-индуцированный коллапс (AIC).

«В AIC предшественник уже является звездным остатком, и триггером не является его собственная эволюция, а материал, переданный ему компаньоном», — говорит руководитель группы Лауренц Тюммлер из ETH Цюрих.

Исходная стадия AIC начинается с белого карлика, в то время как традиционный путь к образованию нейтронной звезды начинается с массивной «живой» звезды. Однако в AIC коллапс переполняющего белого карлика продолжается аналогично коллапсу массивной звезды, создающей нейтронную звезду.

Процесс коллапса и его особенности

Как объясняет Тюммлер, в обоих случаях процесс создания нейтронной звезды включает в себя имплозию ядра массивной звезды, при этом быстрые частицы, называемые нейтрино, уносят энергию от события. Однако важное отличие заключается в том, что в «стандартном» сценарии коллапса массивной звезды последующая супернова и рождение нейтронной звезды происходят внутри плотной оболочки материи, выброшенной в ходе умирания массивной звезды. В AIC эта оболочка отсутствует.

«AIC ожидается быть тусклым и быстрым, поэтому выброс материи значительно меньше по сравнению с обычной суперновой. Не все белые карлики могут пройти через AIC, и это ключевой момент», — добавляет он.

Необходимые условия для аккреционно-индуцированного коллапса

Хотя AIC теоретизировались на протяжении многих лет, Тюммлер и его команда хотели выяснить, какие характеристики должен иметь белый карлик для прохождения этой трансформации. Они начали исследование с помощью 3D-симуляций.

Большинство белых карликов состоят из углерода и кислорода. Однако некоторые звезды коллапсируют, образуя белые карлики, состоящие из кислорода, неона и магния. Это происходит лишь в узком диапазоне звездных масс, что делает этот состав меньшинством среди белых карликов.

Когда белые карлики, состоящие из углерода и кислорода, переполняются звездным материалом от компаньона, они в конечном итоге достигают так называемого предела Чандрасекара, обычно около 1,4 солнечных масс. Превышение этого предела приводит к суперновой, но белые карлики не становятся нейтронными звездами в результате этих «суперновых типа Ia», а полностью разрушаются. Белые карлики, состоящие из кислорода, неона и магния, могут избежать этого разрушения благодаря своей высокой плотности.

«Они обычно рождаются более массивными и плотными, чем белые карлики из углерода и кислорода, и поэтому требуют меньшей дополнительной массы, чтобы приблизиться к пределу Чандрасекара», — говорит Тюммлер.

Идеальная аккреционная скорость

Однако Тюммлер и коллеги обнаружили, что это не единственное условие, необходимое для провоцирования AIC. Белый карлик также не должен быть слишком «жадным». Команда выяснила, что скорость аккреции, то есть скорость, с которой материал от донора падает на белый карлик, должна находиться в достаточно узком диапазоне, чтобы AIC могла произойти.

«Если она слишком низкая, нововозникшие извержения могут выбросить большую часть накопленного материала; если она слишком высокая, ветры, расширение оболочки или взаимодействие в бинарной системе могут помешать белому карлику достичь необходимых условий для коллапса», — говорит Тюммлер. «Аккреция должна быть достаточно быстрой и стабильной, чтобы достичь этих условий, не вызывая взрывного горения по пути.»

«Когда эти условия соблюдаются, электроны захватываются на ядрах неона и магния. Это убирает давление, поддерживающее звезду, и коллапс продолжается», — добавляет он.

Редкость событий AIC

Все это означает, что AIC ожидаются как редкие события, хотя частота их возникновения остается весьма неопределенной.

Команда также нашла, что окружающая среда AIC несколько удивительна. «Мы ожидали, что наиболее нейтронно-богатый материал, который производит самые тяжелые элементы, появится вдоль оси вращения, поскольку именно там магнитно управляемый выброс наиболее силен», — заключает Тюммлер.

Заключение

Исследование аккреционно-индуцированного коллапса открывает новые горизонты в понимании эволюции звезд. Понимание того, как белые карлики могут стать нейтронными звездами, не только расширяет наши знания о жизни звезд, но и о том, как формируются самые массивные и загадочные объекты во Вселенной.