Астрономы раскрыли природу странных радиосигналов из космоса: как катаклизмическая пара карликов порождает всплески каждые 80 минут

В наблюдательной астрофизике сформировалась новая фундаментальная проблема: регистрация источников, которые излучают мощные радиовсплески с необычно большими интервалами — от десятков минут до нескольких часов. Такие объекты получили название долгопериодических радиотранзиентов (Long-Period Radio Transients, LPT). Долгое время исследователи не могли прийти к единому мнению об их природе.

Ситуация изменилась после всестороннего изучения объекта ASKAP J174508.9-505149. Наблюдения в радио-, оптическом и рентгеновском диапазонах доказали, что за периодическими импульсами стоит тесная двойная система из белого и красного карликов, в которой действуют процессы магнитной аккреции и электронно-циклотронного мазерного излучения.

Загадка периодических радиовсплесков

Классическая радиоастрономия десятилетиями опиралась на понятное разделение периодических источников. С одной стороны находились радиопульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды. Период их импульсов составляет от долей миллисекунды до нескольких секунд. Быстрое вращение и сильное магнитное поле создают мощные электрические поля, ускоряющие частицы и порождающие узконаправленные радиолучи.

С другой стороны находились медленные переменные звезды, активность которых меняется на масштабах дней, месяцев или лет. В промежутке между этими диапазонами — в масштабе от нескольких минут до нескольких часов — периодических радиоисточников высокой мощности практически не наблюдалось.

Физика запрещала существование обычных радиопульсаров с длинными периодами. Вращательная энергия звезды пропорциональна скорости ее вращения. Если нейтронная звезда замедляется до одного оборота за несколько минут, генерируемое ею электрическое поле падает ниже критического порога. Замедленная звезда пересекает так называемую «линию смерти» пульсаров: в ее магнитосфере больше не могут рождаться электрон-позитронные пары, и радиоизлучение полностью прекращается.

Тем не менее за последние годы радиотелескопы зафиксировали несколько объектов, которые регулярно генерируют импульсы когерентного радиоизлучения с периодичностью в десятки минут.

Для объяснения феномена ученые предложили две основные конкурирующие гипотезы:

1. Сверхмедленные магнетары. Это гипотетические изолированные нейтронные звезды с экстремальной магнитной индукцией (от 10¹⁴ до 10¹⁵ Гс). Предполагалось, что огромная энергия распада магнитного поля позволяет им излучать радиоволны даже при крайне медленном собственном вращении.
2. Магнитные двойные системы. Это пары, состоящие из белого карлика и звезды-компаньона. В таких системах период импульсов задается не вращением одиночной сверхплотной звезды, а орбитальным движением компонентов вокруг общего центра масс или взаимодействием их магнитных полей.

Долгое время прямых наблюдательных доказательств в пользу одной из моделей не хватало. Объект ASKAP J174508.9-505149 позволил впервые детально изучить физические процессы внутри такого источника.

Обнаружение и многоволновые наблюдения

Сигнал ASKAP J174508.9-505149 (сокращенно ASKAP J1745-5051) впервые зарегистрировал австралийский радиотелескоп ASKAP в ходе обзора неба RACS-mid на частоте 1,365 ГГц. Астрономы искали источники с высокой долей круговой поляризации. Из трех миллионов объектов обзора лишь около ста обладали поляризацией выше 10%. Объект ASKAP J1745-5051 оказался единственным из этой выборки, который не имел известного астрономического отождествления в радиусе 10 угловых секунд.

Чтобы определить физическую природу источника, авторы работы организовали скоординированную кампанию наблюдений на наземных и космических инструментах:

• Радиотелескопы MeerKAT и ATCA. С их помощью ученые провели высокоточное позиционирование, зафиксировали динамические спектры вспышек в диапазоне 1,1-3,1 ГГц и измерили параметры поляризации.
• Оптические спектрографы телескопов SOAR и Magellan LDSS-3. Астрономы получили спектры оптического компонента системы, занесенного в каталог Gaia DR3 под обозначением Gaia 5946454415417964032.
• Космические рентгеновские телескопы Swift и Einstein Probe. Они выполнили синхронные измерения в диапазоне 0,2-10 кэВ.

Сопоставление данных показало: оптический, рентгеновский и радиоисточник физически принадлежат одному и тому же компактному объекту.

Архитектура звездной системы

Спектроскопические измерения лучевых скоростей по линиям водорода выявили четкую периодичность. Оптический спектр менялся с периодом 1,368 +- 0,053 часа (около 82 минут). Это значение представляет собой орбитальный период обращения двух звезд вокруг общего центра масс.

Периодичность радиоимпульсов, вычисленная по данным интерферометров ATCA и ASKAP за два года наблюдений, составила 1,34497 часа. Рентгеновское излучение, зарегистрированное телескопом Einstein Probe, также модулировано с периодом 1,32 +- 0,13 часа. Практически идеальное совпадение периодов во всех трех диапазонах доказало: генерация радио- и рентгеновских импульсов напрямую управляется орбитальным движением системы.

На основе полученных данных ученые восстановили физические параметры компонентов:

Главный компонент системы — белый карлик с массой около 0,83 массы Солнца. Это компактный остывающий остаток звезды высокой плотности, обладающий сильным магнитным полем с индукцией порядка 10⁶-10⁷ Гс.

Второй компонент — маломассивная звезда главной последовательности, красный карлик спектрального класса M6 с температурой поверхности около 2800 К и массой менее одной десятой массы Солнца.

Расстояние между центрами звезд составляет всего 424 тысячи километров. При таких размерах красный карлик полностью заполняет свою полость Роша — область пространства, в пределах которой вещество удерживается гравитацией самой звезды.

В результате гравитационного притяжения более массивного белого карлика газ с поверхности красного карлика непрерывно перетекает на соседний объект. Этот процесс называется аккрецией.

Период обращения 1,37 часа находится вблизи фундаментального нижнего предела для катаклизмических переменных звезд (около 1,3 часа). На этой стадии эволюции система теряет угловой момент за счет излучения гравитационных волн, что заставляет звезды сближаться на минимально возможное расстояние.

Объект ASKAP J1745-5051 классифицирован как магнитная катаклизмическая переменная типа «поляр» (или промежуточный поляр). В таких системах сильное магнитное поле белого карлика препятствует формированию классического плоского аккреционного диска. Магнитные силовые линии захватывают ионизированный газ и направляют его непосредственно к магнитным полюсам компактного объекта.

Механизм генерации радиоизлучения

Для выяснения природы радиовспышек исследователи оценили их физические характеристики. Расчет показал, что нижний предел яркостной температуры радиоизлучения превышает 10¹² Кельвинов.

Тепловые и обычные некогерентные процессы (включая гиросинхротронное излучение, характерное для активных звездных корон) фундаментально не способны создать столь высокую яркостную температуру из-за комптоновского самоограничения. Излучение обязательно должно быть когерентным.

Когерентность означает, что электроны излучают не независимо друг от друга, а согласованно, формируя пучки волн с высокой степенью упорядоченности.

Анализ поляризации импульсов ASKAP J1745-5051 показал:

• Доля линейной поляризации составляет от 23% до 97%.
• Доля круговой поляризации достигает 56%.
• Общая поляризация является сильно эллиптической.

Такие свойства однозначно указывают на действие электронно-циклотронного мазерного излучения (Electron Cyclotron Maser Emission, ECME), усиленного релятивистскими эффектами.

Механизм работает следующим образом:

1. Индукция электрического поля. При орбитальном движении красного карлика в сильном внешнем магнитном поле белого карлика возникает эффект униполярного индуктора. Вдоль силовых линий, соединяющих две звезды, формируется разность потенциалов.
2. Ускорение электронов. Возникшее электрическое поле разгоняет свободные электроны аккреционной плазмы до околосветовых (релятивистских) скоростей.
3. Инверсия населенностей. По мере движения электронов вдоль сходящихся магнитных силовых линий напряженность поля возрастает. Часть электронов отражается назад за счет эффекта магнитной пробки. В результате в распределении частиц по скоростям формируется неравновесное состояние (инверсия населенности).
4. Мазерная генерация волн. В этой нестабильной среде электроны когерентно отдают свою энергию электромагнитному полю на частоте, близкой к их локальной гирочастоте вращения в магнитном поле. Высокие энергии электронов переводят классическую круговую поляризацию мазера в наблюдаемую эллиптическую и многократно увеличивают мощность радиосигнала.

Спектральные данные подтверждают, что генерация радиоволн происходит на определенной высоте над поверхностью белого карлика — в областях с относительно низкой концентрацией электронов (менее 9 x 10¹⁰ частиц на кубический сантиметр). Если бы радиоизлучение формировалось в плотных слоях плазмы, оно не смогло бы выйти наружу из-за экранирования собственной плазменной частотой среды.

Анализ оптического спектра и геометрия аккреции

Оптическая спектроскопия высокого разрешения подтвердила физическую модель распределения плазмы в системе.

В спектрах, полученных телескопом SOAR, зафиксированы:

• Интенсивные узкие эмиссионные линии бальмеровской серии водорода: H-альфа (6563 Å), H-бета (4861 Å), H-гамма (4340 Å) и H-дельта (4102 Å).
• Линии нейтрального гелия (He I).
• Ярко выраженная линия однократно ионизированного гелия He II на длине волны 4686 Å.

Линия He II служит прямым индикатором присутствия высокоэнергетического излучения и сильного магнитного поля. В немагнитных катаклизмических переменных эта линия либо отсутствует, либо выражена слабо.

В системе ASKAP J1745-5051 отношение эквивалентных ширин линий He II / H-бета составляет около 0,4. Это доказывает, что аккреция носит строго канализированный характер: газ падает на компактный объект направленными потоками вдоль магнитных трубок.

Отношение интенсивностей бальмеровских линий H-альфа / H-бета ≤ 1 позволило рассчитать плотность электронов в области формирования оптического спектра: не менее 10¹³ частиц на кубический сантиметр.

Сопоставление этой величины с верхним пределом плотности в области генерации радиоволн (менее 9 x 10¹⁰ частиц на кубический сантиметр) показало, что оптические линии и мазерное радиоизлучение рождаются в принципиально разных частях аккреционного потока.

Оптическое излучение формируется в плотных нижних слоях падающего потока, а радиоволны генерируются на больших высотах, где плотность плазмы на три порядка ниже.

Тонкая структура радиоспектра и интерференция плазмы

Динамические спектры высокого разрешения, полученные южноафриканским интерферометром MeerKAT, выявили тонкую внутреннюю структуру импульсов.

Внутри широких радиовсплесков обнаружены узкие полосы повышенной яркости шириной около 10 МГц. По мере развития импульса эти полосы закономерно смещаются по частоте вниз со скоростью около 1 МГц в минуту.

Подобные структуры в радиоастрономии называют «полосами модуляции». В пределах Солнечной системы этот физический эффект ранее наблюдался исключительно в декаметровом радиоизлучении при взаимодействии Юпитера с его спутником Ио.

Полосы модуляции возникают в результате фазовой дифракции и интерференции. Направленный луч мазерного излучения, сформированный на некоторой высоте, на пути к наблюдателю проходит сквозь неоднородный слой ионизированной аккреционной плазмы.

Плазма работает как неоднородный фазовый экран. В зависимости от плотности электронов на луче зрения различные частоты электромагнитной волны испытывают разную задержку по фазе. Интерференция лучей приводит к чередованию максимумов и минимумов интенсивности на динамическом спектре.

Дрейф полос по частоте отражает изменение угла между направлением мазерного луча, потоком плазмы и лучом зрения земного наблюдателя при движении звезд по орбите.

Геометрия вспышек и рентгеновская модуляция

Наблюдения выявили строгую геометрическую связь между орбитальной фазой двойной системы и моментами фиксации сигналов:

1. Фазовая привязка радиовсплесков. Основные радиовспышки на телескопах ATCA и ASKAP регистрируются в моменты орбитальных соединений звезд (орбитальные фазы около 0,25 и 0,75), когда компоненты выстраиваются практически на одной линии относительно наблюдателя.
2. Противофаза рентгеновского излучения. Данные космического телескопа Einstein Probe показали, что максимум рентгеновского потока приходится на фазу 0,89 +- 0,19. Рентгеновское излучение находится в противофазе к радиовсплескам ATCA/ASKAP, но совпадает по фазе с импульсами телескопа MeerKAT.

Такая взаимосвязь обусловлена пространственной конфигурацией зон излучения:

• Рентгеновское излучение генерируется в самом низу магнитной колонны. Газ, разогнанный гравитацией белого карлика до скоростей в несколько тысяч километров в секунду, падает на жесткую поверхность звезды. Возникает ударная волна, разогревающая плазму до температур в десятки миллионов градусов. Возникает тормозное излучение с энергией квантов 0,5-10 кэВ. Оно видно максимально ярко, когда основание колонны повернуто к наблюдателю.
• Радиоизлучение формируется выше над поверхностью белого карлика и распространяется в виде полого конуса с узкой диаграммой направленности. Земной наблюдатель регистрирует импульс только в те моменты, когда конус направлен строго на Землю при соответствующем повороте орбитальной оси.

Исследование также объяснило периодическое исчезновение радиоимпульсов на несколько часов. В системе имеет место небольшая асинхронность: период собственного вращения белого карлика отличается на доли процента от орбитального периода обращения системы.

Такое состояние часто возникает в магнитных катаклизмических переменных после взрывов новых звезд, нарушающих синхронизацию. По мере медленного проворота магнитной оси белого карлика относительно линии центров звезд магнитная трубка временно разрушается, и условия для формирования электронного мазера исчезают до следующего восстановления конфигурации.

Научные последствия открытия

Результаты комплексного исследования ASKAP J1745-5051 меняют теоретическую базу нескольких направлений внегалактической и звездной астрофизики:

1. Пересмотр природы долгопериодических радиотранзиентов. Получено доказательство того, что класс LPT не является однородным. Для объяснения сигналов с периодами в десятки минут и часы нет необходимости привлекать исключительно экзотические модели изолированных магнетаров. Значительная часть LPT представляет собой тесные двойные системы с белыми карликами.
2. Обнаружение нового режима радиосветимости белых карликов. Ранее катаклизмические переменные считались слабыми источниками в радиодиапазоне. ASKAP J1745-5051 продемонстрировал радиосветимость в 100-1000 раз выше стандартных значений для магнитных белых карликов за счет релятивистского когерентного мазерного механизма.
3. Объединение классов переменных звезд. Система стала связующим звеном между обычными полярами, редкими пульсирующими белыми карликами (такими как AR Scorpii) и новыми долгопериодическими транзиентами.

Открытие ASKAP J1745-5051 показало, что сочетание сильного магнитного поля, гравитационного перетока массы и орбитального движения в тесных двойных системах способно превращать компактные звездные остатки в мощные мазерные излучатели, формирующие наблюдаемую картину радиовсплесков в Галактике.

Источник: Nature Astronomy