Магнітний карлик гріється від зовнішнього джерела струму
Астрономи з'ясували причини унікальності білого карлика GD 356, атмосфера якого з висотою стає теплішою. Виявилось, що вона нагрівається під дією електричного струму величезної сили, який тече до карлика від металевої планети, що обертається навколо нього.
Коли зірки середніх мас вмирають, на їх місці залишаються маленькі, але дуже щільні об'єкти – білі карлики. У них може поміститися стільки ж речовини, скільки в нашому Сонці, і навіть трохи більше, але розміри у них – крихітні за зоряними мірками. Їх радіус близько 10 тисяч кілометрів, приблизно як у Землі. Щільність вимірюється тоннами на кубічний сантиметр, а сила тяжіння на поверхні перевищує земну в сотні тисяч разів.
Завдяки малим розмірам білі карлики випромінюють мало енергії, а тому остигають дуже поволі. Народившись з температурою мільйон градусів, вони можуть багато мільярдів років залишатися гарячішими за Сонце. Саме завдяки повільному охолодженню ми і знаємо ці об'єкти як білі карлики – а не жовті, червоні або бурі; остигнути до стану бурих, ці зоряні трупи не встигли б навіть за весь час існування Всесвіту.
Правда, мала світимість білих карликів одночасно передбачає, що ми бачимо їх лише на порівняно невеликих відстанях. І хоча в Галактиці білих карликів повинно бути багато мільйонів, нам відомі лише ті тисячі, що знаходяться в найближчих околицях Сонця. Це нікчемно мало порівняно з багатьма мільйонами каталогізованих зірок і навіть далеких галактик.
Проте і у цих тисяч є своя «еліта». Наприклад, відомо лише близько двох сотень так званих магнітних білих карликів, магнітне поле яких набагато сильніше, ніж у Землі, Юпітера або навіть Сонця. Індукція магнітного поля на поверхні карликів може вимірюватися мільйонами і навіть мільярдами гаус. Це жахлива величина – наприклад, «сила» надпровідних магнітів, що направляють пучки заряджених частинок по вакуумних трубах Великого адронного коллайдера LHC, вимірюється «всього лише» десятками тисяч гаус.
Серед магнітних білих карликів також є свій унікум – це об'єкт GD 356, який можна розгледіти в телескоп як слабку (15−ї величини) голубувату зірку в північному сузір'ї Дракона. Судячи з ліній в її спектрі, магнітне поле тут складає приблизно 13 Мгс. Але унікальність не в полі, а в тому, що ці спектральні лінії – лінії випромінювання світла, а не поглинання. Кажучи по-науковому, це «емісія», а не «абсорбція».
У атмосфері будь-якого нормального білого карлика температура з висотою падає, адже єдине джерело енергії тут – це тепло, що збереглося в надрах з далеких часів, коли нинішній білий карлик ще був ядром зірки, в якому протікали ядерні реакції. Тому у «нормальних» білих карликів холодні атоми розташовуються над гарячими і перехоплюють з направленого потоку світла більше енергії, ніж вкладають в нього. (Холодні атоми поглинають відповідні атомним переходам фотони, що піднімаються з глибини у бік спостерігача, і збуджуються, а ось випромінюють вони фотони, знімаючи збудження, вже в абсолютно випадковому напрямі.)
Пляма з інверсією
У GD 356 все навпаки – замість ліній поглинання в спектрі видно лінії випромінювання атомів водню, а значить, верхні шари чомусь гарячіше нижніх. Більш того, якщо скористатися поляризаційним фільтром, який може «погасити» випромінювання з області з магнітним полем певного напряму, з'ясується, що так світиться не вся зірка, а лише невелика її частина, приблизно 10%. Частина видимої поверхні, що залишилася, абсолютно нормальна, без яких би то не було температурних інверсій.
Можливо, що джерело нагріву атмосфери GD 356 набагато екзотічніше Учені з Австралії і Великобританії під керівництвом Даяла Вікрамасингха з Австралійського національного університету в Канберрі знайшли нові підтвердження моделі цього джерела, яку вони запропонували ще десять років тому, але досі не могли обгрунтувати. Робота астрономів прийнята до публікації в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society і доступна в Архіві електронних препринтів Корнельського університету.
Мегагенератор
Учені скористалися даними про яскравість об'єкту в інфрачервоному діапазоні, отриманими космічним телескопом імені Спітцера, і спробували з'ясувати, якого розміру може бути супутник білого карлика, щоб не порушити моделі розподілу енергії в спектрі GD 356. Як виявилось, маса цього об'єкту при наявних (із спостережуваної температури) обмеженнях на вік системи не повинна перевершувати 12 мас Юпітера. Такий об'єкт інакше як планетою не назвеш.
Насправді, вважає Вікрамасингх і його колеги, супутник GD 356 значно менше граничної оцінки і є планетою, чимось схожою на Землю. Найголовніше, що у нього, як і у нашої планети, є металеве ядро. На думку вчених, система магнітний білий карлик + провідна планета працює як так званий уніполярний індуктор. Рухаючись по своїй орбіті, планета перетинає лінії індукції могутнього магнітного поля зірки, і вільні заряди в металевому ядрі планети відчувають дію так званої сили Лоренца, яка примушує їх рухатися в напрямі, перпендикулярному і лініям поля, і напряму руху.
Швидкість руху планети – десятки, а то і сотні кілометрів в секунду, індукція магнітного поля – мільйони гаус, об'єм ядра – мільярди кубічних кілометрів. У результаті між планетою і зіркою виникає велетенський електричний струм, який і гріє атмосферу. Замикається цей струм, швидше за все, потоками заряджених частинок, які рухаються уздовж магнітних ліній від білого карлика до планети. Ці потоки набагато менш щільні, тому і тепла в них розсівається менше. За розрахунками Вікрамасингха і співавторів, такий гігантський електричний генератор цілком здатний бути джерелом нагріву атмосфери GD 356, якщо маса металевого ядра планети складає навіть декілька відсотків маси Землі.
Правда, ця планета повинна рухатись порівняно недалеко від білого карлика – максимум в 6−7 мільйонах кілометрів від його поверхні. І тут відразу виникає питання: як планета опинилася так близько до ядра померлої зірки, яка пережила в своїй еволюції стадію червоного гіганта і скидання нагрітої оболонки? Якщо вірити підрахункам, то Земля, наприклад, повністю випарувалася б усередині червоного гіганта за пару діб.
Відповідь на це питання в учених теж є. На їхню думку, коли нинішній GD 356 був червоним гігантом, тієї планети, яка зараз крутиться поряд з ним, ще не було. Колись давно ця система представляла подвійну зірку, обидві компоненти якої померли, перетворившись на білі карлики. Згодом, втрачаючи енергію на випромінювання гравітаційних хвиль, вони настільки зближувалися, що один з білих карликів зруйнував інший. Велика частина речовини зруйнованого карлика висипалася на карлик, що зберігся, а менша частина перетворилася на планету.
Зі слів Вікрамасингха, такий сценарій також природно пояснює наявність у планети значного металевого ядра. Білі карлики складаються з речовини, вже переробленої в ході ядерних реакцій, так що в них багато важких елементів. Більш того, кисню, якого в цих карликах багато, і який зв'язував би атоми металів в оксиди, тут залишилося мало: планета формувалася якраз тоді, коли на білий карлик активно падала речовина, і він яскраво світився, видуваючи з околиць відносно легкі елементи.
Втім, визнають автори роботи, тут потрібні додаткові розрахунки: зазвичай учених цікавить, як планети можуть з'явитися з дозіркової речовини, яка майже на 100% складається з суміші водню з гелієм. Які планети утворюються з суміші кисню, вуглецю, кремнію і алюмінію, астрономи поки що розуміють погано.
Ключові слова: