Астрономы выяснили причины уникальности белого карлика GD 356, атмосфера которого с высотой становится теплее. Оказалось, что она нагревается под действием электрического тока огромной силы, который течет к карлику от вращающейся вокруг него металлической планеты.
Когда звезды средних масс умирают, на их месте остаются маленькие, но очень плотные объекты – белые карлики. В них может поместиться столько же вещества, сколько в нашем Солнце, и даже чуть-чуть больше, но размеры у них – крошечные по звездным меркам. Их радиус порядка 10 тысяч километров, примерно как у Земли. Плотность измеряется тоннами на кубический сантиметр, а сила тяжести на поверхности превышает земную в сотни тысяч раз. На поверхности белого карлика весы бы под вами показали не 70 кг, а десятки килотонн: вот перегрузка так перегрузка.
Благодаря малым размерам белые карлики излучают мало энергии, а потому остывают очень медленно. Родившись с температурой под миллион градусов (так жарко на границе звездных ядер, из которых образуются белые карлики), они могут многие миллиарды лет оставаться горячее Солнца. Именно благодаря медленному остыванию мы и знаем эти объекты, как белые карлики – а не желтые, красные или побуревшие; остыть до побуревшего состояния эти звездные трупы не успели бы даже за все время существования Вселенной.
Правда, малая светимость белых карликов одновременно подразумевает, что мы видим их лишь на сравнительно небольших расстояниях. И хотя в Галактике белых карликов должны быть многие и многие миллионы, нам известны лишь те тысячи, что находятся в ближайших окрестностях Солнца. Это ничтожно мало в сравнении с многими миллионами каталогизированных звезд и даже далеких галактик.
Карликовая элита
Однако и у этих тысяч есть своя «элита». К примеру, известно лишь около двух сотен так называемых магнитных белых карликов, магнитное поле которых гораздо сильнее, чем у Земли, Юпитера или даже Солнца. Индукция магнитного поля на поверхности карликов может измеряться миллионами и даже миллиардами гаусс. Это чудовищная величина – например, «сила» сверхпроводящих магнитов, направляющих пучки заряженных частиц по вакуумным трубам Большого адронного коллайдера LHC, измеряется «всего лишь» десятками тысяч гаусс.
Среди магнитных белых карликов также есть свой уникум – это объект GD 356, который можно разглядеть в телескоп как слабую (15-й величины) голубоватую звезду в северном созвездии Дракона. Судя по расщеплению линий в ее спектре, магнитное поле здесь составляет примерно 13 МГс. Но уникальность не в поле (существуют объекты и «помагнитнее»), а в том, что эти спектральные линии – линии излучения света, а не поглощения. Говоря по-научному, это «эмиссия», а не «абсорбция».
В атмосфере любого нормального белого карлика температура с высотой падает, ведь единственный источник энергии здесь – это тепло, сохранившееся в недрах с далеких времен, когда нынешний белый карлик еще был ядром звезды, в котором шли ядерные реакции. Поэтому у «нормальных» белых карликов холодные атомы располагаются над горячими и перехватывают из направленного потока света больше энергии, чем вкладывают в него. (Холодные атомы поглощают соответствующие атомным переходам фотоны, поднимающиеся из глубины в сторону наблюдателя, и возбуждаются, а вот излучают они фотоны, снимая возбуждение, уже в совершенно случайном направлении.)
Пятно с инверсией
У GD 356 все наоборот – вместо линий поглощения в спектре видны линии излучения атомов водорода, а значит, верхние слои почему-то горячее нижних. Более того, если воспользоваться поляризационным фильтром, который может «погасить» излучение из области с магнитным полем определенного направления, выяснится, что так светится не вся звезда, а лишь небольшая ее часть, примерно 10%. Оставшаяся часть видимой поверхности совершенно нормальная, без каких бы то ни было температурных инверсий.
Возможно, что источник нагрева атмосферы GD 356 гораздо экзотичнее. Ученые из Австралии и Великобритании под руководством Даяла Викрамасингха из Австралийского национального университета в Канберре нашли новые подтверждения модели этого источника, которую они предложили еще десять лет назад, но до сих пор не могли обосновать. Работа астрономов принята к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и доступна в Архиве электронных препринтов Корнельского университета.
Мегагенератор
Ученые воспользовались данными о яркости объекта в инфракрасном диапазоне, полученными космическим телескопом имени Спитцера, и попробовали выяснить, какого размера может быть спутник белого карлика, чтобы не нарушить модели распределения энергии в спектре GD 356. Как оказалось, масса этого объекта при имеющихся (из наблюдаемой температуры) ограничениях на возраст системы не должна превосходить 12 масс Юпитера. Такой объект иначе как планетой не назовешь.
На самом деле, полагают Викрамасингх и его коллеги, спутник GD 356 гораздо меньше предельной оценки и представляет собой планету, чем-то похожую на Землю. Самое главное, что у нее, как и у нашей планеты, есть металлическое ядро. По мнению ученых, система магнитный белый карлик + проводящая планета работает как так называемый униполярный индуктор. Двигаясь по своей орбите, планета пересекает линии индукции мощного магнитного поля звезды, и свободные заряды в металлическом ядре планеты чувствуют действие так называемой силы Лоренца, которая заставляет их двигаться в направлении, перпендикулярном и линиям поля, и направлению движения.
Скорость движения планеты – десятки, а то и сотни километров в секунду, индукция магнитного поля – миллионы гаусс, объем ядра – миллиарды кубических километров. В итоге между планетой и звездой возникает исполинский электрический ток, который и греет атмосферу. Замыкается этот ток, скорее всего, потоками заряженных частиц, которые движутся вдоль магнитных линий от белого карлика к планете. Эти потоки гораздо менее плотные, потому и тепла в них рассеивается меньше. По расчетам Викрамасингха и соавторов, такой гигантский электрический генератор вполне способен быть источником нагрева атмосферы GD 356, если масса металлического ядра планеты составляет даже несколько процентов массы Земли.
Планета из звезды
Правда, эта планета должна находиться сравнительно недалеко от белого карлика – максимум в 6-7 миллионах километров от его поверхности. И тут сразу возникает вопрос: как планета оказалась так близко к ядру умершей звезды, которая пережила в своей эволюции стадию красного гиганта и сброс нагретой оболочки? Если верить подсчетам, то Земля, к примеру, полностью испарилась бы внутри красного гиганта за пару суток.
Ответ на этот вопрос у ученых тоже есть. По их мнению, когда нынешний GD 356 был красным гигантом, той планеты, которая сейчас крутится рядом с ним, еще не было. Когда-то давно эта система представляла двойную звезду, обе компоненты которой умерли, превратившись в белые карлики. Впоследствии, теряя энергию на излучение гравитационных волн, они настолько сблизились, что один из белых карликов разрушил другой. Большая часть вещества разрушенного карлика высыпалась на сохранившийся карлик, а меньшая часть превратилась в планету.
По словам Викрамасингха, такой сценарий также естественно объясняет наличие у планеты внушительного металлического ядра. Белые карлики состоят из вещества, уже переработанного в ходе ядерных реакций, так что в них много тяжелых элементов. Более того, кислорода, которого в этих карликах много, и который связывал бы атомы металлов в оксиды, здесь осталось мало: планета формировалась как раз тогда, когда на белый карлик активно падало вещество, и он ярко светился, выдувая из окрестностей относительно легкие элементы.
Впрочем, признают авторы работы, здесь нужны дополнительные расчеты: обычно ученых интересует, как планеты могут появиться из дозвездного вещества, которое почти на 100% состоит из смеси водорода с гелием. Какие планеты образуются из смеси кислорода, углерода, кремния и алюминия, астрономы пока понимают плохо.
