Відкриття бінарної системи білих карликів з масовим перенесенням

Команда астрофізиків виявила бінарну систему з білими карликами, де одна з зірок активно поглинає матерію від іншої. Це дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal, представляє одне з найчіткіших зображень того, як ультракомпактні білі карлики обмінюються масою, коли вони знаходяться дуже близько один до одного.

Бінарні зоряні системи часто стають свідками вражаючих і насильницьких процесів, коли одна зірка деформується і поглинає матерію від своєї супутниці. Однак у випадках, коли зірки обертаються дуже близько одна до одної, ще не з'ясовано, як саме відбуваються ці процеси масового перенесення. Білі карлики є залишками зірок, схожих на Сонце, які вичерпали своє ядерне паливо та скинули зовнішні шари.

Дослідницька команда на чолі з Еммою Чіклс (MIT) проаналізувала мільйони зображень бінарних зірок, зокрема білих карликів, які неодноразово спостерігалися протягом останнього десятиліття різними астрономічними програмами.

Вчені змогли спостерігати за зміною яскравості системи ATLAS J1013−4516, що складається з пари бінарних білих карликів. Ця зміна відповідає взаємному затемненню двох зірок, з періодом, що триває всього 8,56 хвилин. Така коротка періодичність свідчить про дуже малу відстань між компонентами системи, що призводить до того, що одна з зірок поглинає матерію від своєї супутниці і передає її на компактний та перегрітий акреційний диск (25900 K).

ATLAS J1013−4516 належить до класу бінарних систем AM Canum Venaticorum (AM CVn), які є рідкісними ультракомпактними бінарними системами, в яких один білий карлик поглинає матерію, багатою на гелій, від деградованої або напівдеградованої зорі-донорки. Їх орбітальні періоди зазвичай варіюються від 5 до 70 хвилин, а їх безперервний синій спектр, сильна емісія He I/He II та відсутність ліній Бальмера відрізняють їх від катаклізмічних змінних, що поглинають водень.

Слідкування за системою за допомогою спектрографа LMAS (Large Lenslet Array Magellan Spectrograph) підтверджує наявність акреційного диска, переважно домінованого гелієм, а фотометрія з високою швидкістю ULTRACAM виявляє виражені первинні та вторинні затемнення. Чіклс та її колеги створили базу хронометражу на основі десятирічних спостережень, використовуючи криві світла з оглядів ATLAS і Gaia, а також знімки з високою швидкістю з ULTRACAM на Новому енергетичному телескопі та proto-Lightspeed на телескопі Магеллан. Вони виміряли похідну орбітального періоду, яка становить -1,60 × 10^-12 с.с^-1. Ця вимірювальна похідна дозволяє безпосередньо вивчати баланс між втратою кутового моменту через випромінювання гравітаційних хвиль і орбітальним розширенням, що викликане масовим перенесенням.

Таке дослідження дозволяє безпосередньо вивчити структурну реакцію зорі-донорки на втрату маси. Дослідники обмежують маси акреційної зірки та зірки-донорки, виходячи з аргументів стабільного масового перенесення, припускаючи, що втрата кутового моменту в основному викликана випромінюванням гравітаційних хвиль. Зоря-донор має масу 0,1 сонячної маси, а акреційна зірка важить 0,87 сонячної маси.

Чіклс та її команда роблять висновок про характерні деформації гравітаційних хвиль у бінарній системі, які можуть бути виявлені майбутніми космічними обсерваторіями гравітаційних хвиль, такими як LISA (Laser Interferometer Space Antenna), яка зможе їх безпосередньо виявити. Вони прогнозують характерну деформацію, що відповідає співвідношенню сигнал/шум для LISA, яке перевищує 10 протягом 4 років, що робить ATLAS J1013−4516 перспективним об'єктом для вивчення довгострокової орбітальної еволюції в режимі масового перенесення.

Завдяки майже десятирічним спостереженням, проведеним з ATLAS, Gaia, ULTRACAM та proto-Lightspeed, Емма Чіклс і її команда виміряли негативну похідну орбітального періоду ATLAS J1013−4516, амплітуда якої зменшена в порівнянні з прогнозами процесу випромінювання гравітаційних хвиль. Це вказує на те, що поточне масове перенесення частково компенсує втрати кутового моменту через гравітаційні хвилі, що сприяє формуванню напівдеградованої та термічно роздутій донорки гелію. У поєднанні з геометричними обмеженнями, отриманими з затемнень, спостереження ATLAS J1013−4516 дозволяє точно перевірити вплив структури донорки на секулярну орбітальну еволюцію, і це на найкоротших періодах, досягнутих бінарними білими карликами в фазі акреційного диска.

Останні відкриття виявили обмежену, але різноманітну популяцію ультракомпактних систем AM CVn з орбітальними періодами менше ∼10 хвилин, які демонструють велику різноманітність форм кривих світла та позитивних і негативних похідних орбітальних періодів. ATLAS J1013−4516 ілюструє це різноманіття, будучи однією з небагатьох систем цього режиму, що демонструє глибокі затемнення та точно виміряний орбітальний період, що робить її особливо цінною моделлю для перевірки моделей масового перенесення через диск та термодинаміки донорів гелію.