Dwulicowy biały karzeł wprawia astronomów w zakłopotanie – Physics World

Dwulicowy biały karzeł wprawia astronomów w zakłopotanie – Physics World

Znacznik czasu: 19 lipca 2023 11:00

Artystyczna wizja dwulicowego białego karła przedstawia gwiazdę jako świecącą niebiesko-białą kulę, której jedna strona jest ciemniejsza i bardziej ziarnista niż druga
Wodór i hel: artystyczna wizja dwulicowego białego karła. (Dzięki uprzejmości: K. Miller, Caltech/IPAC)

Szybko obracający się biały karzeł, który zawiera dwie przeciwstawne półkule – jedną pokrytą wodorem, a drugą helem – astronomowie drapią się po głowach nad tym, jak to się stało. Gwiazda, nazwana „Janus” na cześć dwulicowego rzymskiego boga przemiany, została odkryta przez Zakład przejściowy Zwicky (ZTF) w Obserwatorium Palomar w USA, a jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że jest to wynik silnego, ale nierównego pola magnetycznego generowanego przez połączenie dwóch białych karłów.

Białe karły to pozostałości gwiazd podobnych do Słońca, które zaprzestały reakcji jądrowych w swoich wnętrzach, zdmuchnęły zewnętrzne warstwy i doświadczyły grawitacyjnego skurczu pozostałych jąder. Powstałe obiekty są mniej więcej wielkości Ziemi, ale mają masę gwiazdy.

Choć białe karły rodzą się gorące, z wiekiem stopniowo ochładzają się. To chłodzenie wpływa na ich strukturę. W temperaturach powyżej 35,000 35,000 K ich powierzchnie są pokryte warstwą wodoru, która otacza podwarstwę helu. Gdy temperatura powierzchni ostygnie do 25,000 XNUMX–XNUMX XNUMX K (dokładna temperatura zależy od masy gwiazdy), ta warstwa helu zaczyna konwektować. Jeśli górna warstwa wodoru jest wystarczająco cienka, może rozproszyć się w wrzącym helu.

Około 40% białych karłów przeszło od dominacji wodoru do dominacji helu. Ponieważ jednak przejście zwykle następuje w ciągu kilku sekund, nikt nigdy tego nie widział – być może aż do teraz.

Utknąłeś w przejściu?

Oficjalnie oznaczony jako ZTF J203349.8+322901.1 (liczby to jego współrzędne rektascensji i deklinacji na niebie) i znajdujący się ponad 1300 lat świetlnych stąd, biały karzeł Janus przyciągnął uwagę astrofizyka z California Institute of Technology Ilarii Caiazzo ze względu na szybkie zmiany jasności. Dodatkowe obserwacje przeprowadzone przez Palomar i inne instrumenty wykazały, że gwiazda wykonuje jeden obrót co 15 minut, podczas którego jej jasność zmienia się od maksimum, gdy jej pokryta wodorem twarz jest skierowana w stronę Ziemi, do minimum, gdy widzimy przeciwną półkulę pokrytą helem.

Pytanie brzmi: dlaczego? „Być może w końcu udało nam się złapać białego karła w trakcie przemiany” — mówi Caiazzo Fizyka Świat. W rzeczywistości, na podstawie ustaleń zespołu Caiazzo zebranego w celu zbadania odkrycia, wydaje się, że Janus utknął w okresie przejściowym. Wydaje się, że na jednej z jego półkul konwekcja helu zużyła wodór, ale w tajemniczy sposób nie wydaje się, aby to samo miało miejsce na drugiej. Pisanie w Natura, zespół sugeruje, że wystarczająco silne pole magnetyczne przesunięte z centrum białego karła może hamować konwekcję helu na jednej półkuli, ale to wyjaśnienie jest wstępne. Dość powiedzieć, że nikt wcześniej nie widział białego karła o dwóch połówkach.

„Nie ma modelu, który by to przewidywał” — mówi członek zespołu Pier-Emmanuel Treblay, astronom z University of Warwick w Wielkiej Brytanii. „W astrofizyce, gdy coś jest pomieszane i wymaga precyzyjnego dostrojenia, ludzie często odwołują się do pól magnetycznych, a to jest tego doskonały przykład”.

Około 20% białych karłów jest magnetycznych, a niektóre mają pole o natężeniu do 1 miliarda Gaussów. Dla porównania, pole magnetyczne Ziemi ma wartość połowy Gaussa, podczas gdy natężenie pola magnetycznego na powierzchni Słońca wynosi około jednego Gaussa. W przypadku Janusa zespół szacuje, że pole musi wynosić 1000–1 miliona Gaussów. Jeszcze silniejszy, a zniekształci linie widmowe gwiazdy.

„W przypadku Janusa zakładamy, że istnieje pole magnetyczne, ponieważ w inny sposób bardzo trudno byłoby wyjaśnić inny skład na dwóch twarzach” – mówi Caiazzo. Dodaje jednak: „Wciąż nie wiemy, dlaczego tylko niektóre białe karły są magnetyczne i skąd bierze się ta ogromna różnorodność natężenia pola”.

Fuzja białych karłów?

Silne i nierówne pole magnetyczne Janusa, jego duża prędkość rotacji, duża masa (między 1.20 a 1.27 masy Słońca) oraz dwustronny skład wskazują na dość niezwykłego białego karła. W przypadku Tremblay oznacza to, że w grę mogą wchodzić inne czynniki. „Musi być coś wyjątkowego w tym białym karle oprócz pola magnetycznego” – mówi.

Tremblay spekuluje, że Janus mógł powstać w wyniku połączenia dwóch białych karłów – zdarzenie, które mogło stworzyć wewnętrzne dynamo magnetyczne. „Szybka rotacja, generowanie pola magnetycznego i asymetria wskazują na ewolucję układów podwójnych i fuzję” – mówi.

Tremblay jest również sceptyczny co do tego, że pole magnetyczne jest dipolem przesuniętym. Wewnętrzna struktura pola magnetycznego białych karłów nie jest jeszcze dobrze poznana, a jego zdaniem powoływanie się na przesunięty dipol mogłoby ukryć geometrię pola magnetycznego wyższego rzędu.

"Moim zdaniem oznacza to, że pole magnetyczne może nie być dipolarne" - mówi Tremblay. „Zamiast tego może to być kwadrupol, na przykład z czterema biegunami. Nie musi to oznaczać, że pole jest przesunięte względem środka.”

Implikacje dla pomiarów odległości

Kiedy białe karły eksplodują jako supernowe typu Ia, ich dobrze poznana jasność pozwala astronomom traktować je jak standardowe świece – niezbędne narzędzie do pomiaru odległości w kosmosie i tempa rozszerzania się Wszechświata. Jednak astronomowie wciąż nie są pewni, ile supernowych typu Ia powstaje, gdy pojedynczy biały karzeł gromadzi zbyt dużo materii z gwiazdy towarzyszącej i eksploduje, a ile powstaje w wyniku połączenia dwóch białych karłów, które po połączeniu przekraczają masę Chandrasekhara granicę 1.44 masy Słońca i eksplodować.

Jeśli Janus rzeczywiście jest produktem połączenia dwóch mniejszych białych karłów, znalezienie większej liczby przykładów półprzejściowych białych karłów umożliwi astronomom ograniczenie liczby takich układów i ich wkładu w populację supernowych typu Ia.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki