Примерно в 200 световых годах от Земли ядро мёртвой звезды вращается вокруг более крупной звезды в жутком космическом танце. Мёртвая звезда — это белый карлик, обладающий мощным магнитным полем, которое притягивает материю от более крупной звезды, образуя закрученный аккреционный диск.
Эта пара, известная как «промежуточный поляр», представляет собой тип звёздной системы, излучающей сложную картину интенсивного излучения, включая рентгеновские лучи, когда газ от более крупной звезды падает на другую.
Астрономы из Массачусетского технологического института (MIT) использовали космический рентгеновский телескоп для выявления ключевых особенностей во внутренней области системы — чрезвычайно энергичной среде, которая до сих пор была недоступна для большинства телескопов.
В открытом доступе опубликовано исследование, в котором команда сообщает об использовании космического аппарата NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) для наблюдения за промежуточным поляром, известным как EX Hydrae.
Команда обнаружила удивительно высокую степень рентгеновской поляризации, которая описывает направление электрического поля рентгеновской волны, а также неожиданное направление поляризации рентгеновских лучей, исходящих от EX Hydrae. На основе этих измерений исследователи отследили рентгеновские лучи до их источника во внутренней области системы, близко к поверхности белого карлика.
Более того, они определили, что рентгеновские лучи испускаются из столба раскалённого материала, который белый карлик притягивает от своей звезды-компаньона. По их оценкам, высота этого столба составляет около 2 000 миль — примерно половину радиуса самого белого карлика и намного выше, чем предсказывали физики для такой системы. Они также установили, что рентгеновские лучи отражаются от поверхности белого карлика, прежде чем рассеиваются в космосе — эффект, который физики подозревали, но не подтверждали до сих пор.
Результаты команды демонстрируют, что рентгеновская поляриметрия может быть эффективным способом изучения экстремальных звёздных сред, таких как наиболее энергетически активные регионы аккрецирующего белого карлика.
«Мы показали, что рентгеновскую поляриметрию можно использовать для детальных измерений геометрии аккреции белого карлика», — говорит Шон Гандерсон, постдок в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института, который является ведущим автором исследования. «Это открывает окно в возможность проведения аналогичных измерений для других типов аккрецирующих белых карликов, которые также никогда не имели предсказанных сигналов рентгеновской поляризации».
Особенности рентгеновской поляризации
Все виды света, включая рентгеновские лучи, подвержены влиянию электрических и магнитных полей. Свет распространяется в виде волн, которые колеблются перпендикулярно направлению движения света. Внешние электрические и магнитные поля могут отклонять эти колебания в случайных направлениях. Но когда свет взаимодействует и отражается от поверхности, он может стать поляризованным, то есть его колебания сжимаются в одном направлении. Поляризованный свет может помочь учёным отследить источник света и узнать некоторые подробности о геометрии источника.
Космическая обсерватория IXPE — это первая миссия NASA, предназначенная для изучения поляризованных рентгеновских лучей, излучаемых экстремальными астрофизическими объектами. Космический аппарат, запущенный в 2021 году, вращается вокруг Земли и регистрирует эти поляризованные рентгеновские лучи. С момента запуска он в основном фокусировался на сверхновых, чёрных дырах и нейтронных звёздах.
Новое исследование MIT стало первым, в котором IXPE использовался для измерения поляризованных рентгеновских лучей от промежуточного полярного — меньшего по размеру по сравнению с чёрными дырами и сверхновыми, но, тем не менее, известного как мощный источник рентгеновского излучения.
«Мы начали обсуждать, насколько полезной будет поляризация, чтобы получить представление о том, что происходит в этих типах систем, которые большинство телескопов видят просто как точку в своём поле зрения», — говорит Маршалл.
Промежуточный поляр получает своё название из-за силы центрального магнитного поля белого карлика. Когда это поле сильное, материал от звезды-компаньона напрямую притягивается к магнитным полюсам белого карлика. Когда поле очень слабое, звёздный материал вместо этого закручивается вокруг карлика в аккреционном диске, который в конечном итоге откладывает материю непосредственно на поверхность карлика.
В случае промежуточного полярного физики предсказывают, что материал должен падать по сложному промежуточному шаблону, образуя аккреционный диск, который также притягивается к магнитным полюсам белого карлика.
Магнитное поле должно поднимать диск поступающего материала высоко вверх, подобно фонтану с высокой энергией, прежде чем звёздные обломки упадут к магнитным полюсам белого карлика со скоростью в миллионы миль в час, что астрономы называют «аккреционным занавесом».
Физики подозревают, что этот падающий материал должен столкнуться с ранее поднятым материалом, который всё ещё падает к полюсам, создавая своего рода затор газа. Эта нагромождение материи образует столб из сталкивающегося газа, температура которого составляет десятки миллионов градусов по Фаренгейту, и он должен излучать высокоэнергетические рентгеновские лучи.
Измеряя поляризованные рентгеновские лучи, излучаемые EX Hydrae, команда стремилась проверить картину промежуточных полярных, которую предположили физики. В январе 2025 года IXPE провёл в общей сложности около 600 000 секунд, или примерно семь дней, рентгеновских измерений системы.
«С каждым рентгеновским лучом, поступающим из источника, вы можете измерить направление поляризации, — объясняет Маршалл. — Вы собираете много таких лучей, и все они имеют разные углы и направления, которые вы можете усреднить, чтобы получить предпочтительную степень и направление поляризации».
Их измерения выявили степень поляризации 8%, что было намного выше, чем предсказывали учёные согласно некоторым теоретическим моделям. Оттуда исследователи смогли подтвердить, что рентгеновские лучи действительно исходят из столба системы, и что этот столб имеет высоту около 2 000 миль.
«Если бы вы могли стоять относительно близко к полюсу белого карлика, вы бы увидели столб газа, простирающийся на 2 000 миль в небо, а затем расширяющийся наружу», — говорит Гандерсон.
Команда также измерила направление поляризации рентгеновских лучей EX Hydrae, которое, как они определили, было перпендикулярно столбу поступающего газа белого карлика. Это было признаком того, что рентгеновские лучи, излучаемые столбом, затем отражались от поверхности белого карлика, прежде чем отправиться в космос и, в конечном итоге, в телескопы IXPE.
«То, что полезно в рентгеновской поляризации, — это то, что она даёт вам картину самой внутренней, наиболее энергичной части всей этой системы», — говорит Рави. «Когда мы смотрим в другие телескопы, мы не видим таких деталей».
Команда планирует применить рентгеновскую поляризацию для изучения других аккрецирующих систем белых карликов, что может помочь учёным разобраться в гораздо более крупных космических явлениях.
«В какой-то момент столько материала падает на белого карлика от звезды-компаньона, что белый карлик больше не может его удерживать, всё рушится, и образуется тип сверхновой, наблюдаемой во всей Вселенной, который можно использовать для определения размера Вселенной», — говорит Маршалл. «Понимание этих систем белых карликов помогает учёным понять источники этих сверхновых и рассказать вам об экологии галактики».