Рентгеновские наблюдения раскрывают удивительные особенности наиболее энергетически активной среды умирающей звезды.
Примерно в 200 световых годах от Земли ядро мёртвой звезды вращается вокруг более крупной звезды в жутком космическом танце. Мёртвая звезда — это белый карлик, который создаёт мощное магнитное поле, притягивая материал от более крупной звезды в 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 Массачусетского технологического института (MIT) использовали рентгеновский телескоп в космосе, чтобы выявить ключевые особенности во внутренней области системы — чрезвычайно энергетически активной среде, которая до сих пор была недоступна для большинства телескопов. В открытом исследовании, опубликованном в Astrophysical Journal, команда сообщает об использовании телескопа NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) для наблюдения за промежуточным поляром, известным как EX Hydrae.
Основные открытия
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 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 перед тем, как рассеиваются в космосе — эффект, который подозревали физики, но не подтверждали до сих пор.
Результаты команды демонстрируют, что рентгеновская поляризация может быть эффективным способом изучения экстремальных звёздных сред, таких как наиболее энергетически активные регионы аккрецирующего белого карлика.
«Мы показали, что рентгеновскую поляризацию можно использовать для детальных измерений геометрии аккреции белого карлика», — говорит Шон Гандерсон, постдок в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института (MIT), который является ведущим автором исследования. «Это открывает окно в возможность проведения аналогичных измерений для других типов аккрецирующих белых карликов, у которых также никогда не было предсказанных сигналов рентгеновской поляризации».
Поляризация рентгеновских лучей
Все виды света, включая рентгеновские лучи, подвержены влиянию электрических и магнитных полей. Свет распространяется в волнах, которые колеблются перпендикулярно направлению своего движения. 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 выяснить некоторые детали о геометрии источника.
Космическая обсерватория IXPE — это первая миссия NASA, разработанная 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 — первое, в котором IXPE используется для измерения поляризованных рентгеновских лучей от промежуточного поляра — меньшей системы по сравнению с чёрными дырами и сверхновыми, которая, тем не менее, известна как сильный источник рентгеновского излучения.
Промежуточный поляр
Промежуточный поляр получил своё название из-за силы магнитного поля центрального 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 поляра физики предсказывают, что материал должен падать по сложному промежуточному шаблону, образуя аккреционный диск, который также притягивается к полюсам белого карлика. Магнитное поле должно поднимать диск поступающего материала высоко вверх, подобно фонтану с высокой энергией, прежде чем звёздный мусор упадёт 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 который должен излучать высокоэнергетические рентгеновские лучи.
Внутренняя картина
Измеряя поляризованные рентгеновские лучи, излучаемые EX Hydrae, команда стремилась проверить картину промежуточных поляров, которую предположили физики. В январе 2025 года IXPE провёл около 600 000 секунд, или примерно семь дней, рентгеновских измерений системы.
«С каждым рентгеновским лучом, поступающим от источника, вы можете измерить направление поляризации», — объясняет Маршалл. «Вы собираете много таких лучей, и они все под разными углами и направлениями, которые вы можете усреднить, чтобы получить предпочтительную степень и направление поляризации».
Их измерения выявили степень поляризации в 8%, что было намного выше, чем предсказывали некоторые теоретические модели. 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 недалеко от полюса 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, испускаемые 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 наиболее энергетически активной части всей 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 лучше понять гораздо более крупные космические явления.
«В какой-то момент столько материала падает на белый карлик от звезды-компаньона, что белый карлик больше не может его удерживать, всё рушится и образуется тип сверхновой, который наблюдается во всей Вселенной, и который можно использовать для определения размера Вселенной», — говорит Маршалл. «Таким образом, понимание этих систем с белыми карликами помогает учёным понять источники этих сверхновых и узнать об экологии галактики».
Это исследование частично финансировалось NASA.