Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы (и, следовательно, потеря ее энергии на это излучение) меняется в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Таким образом, при сближении звезд она растет очень быстро, особенно на самых малых дистанциях. Потери энергии дополнительно увеличиваются в разы, если звезды обращаются вокруг барицентра не по круговым, а по сильно вытянутым орбитам.

Самыми эффективными генераторами гравитационного излучения служат пары вращающихся вокруг друг друга компактных объектов — белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр. Все знают, что излучение сближающихся черных дыр, а потом и нейтронных звезд на последних долях секунды перед их слиянием уже было несколько раз детектировано (в 2015 г. и позднее) американской гравитационной обсерваторией LIGO и ее итальянским партнером Virgo. Гравитационное излучение белых карликов пока удалось подтвердить лишь косвенно. Впервые это было сделано около 15 лет назад на основе рентгеновских и оптических наблюдений двойной системы HM Рака (другое название RX J0806.3+1527) с орбитальным периодом 5 минут 21,5 секунды, которая удалена на 1600 световых лет от Солнца. Она образована белыми карликами с одинаковой массой, равной половине солнечной, удаленными друг от друга приблизительно на 80 000 км. Период этой системы каждый год уменьшается на 1,2 миллисекунды — в полном соответствии с результатами вычислений, выполненных на основе ОТО. Позднее аналогичные результаты были получены еще для нескольких двойных белых карликов.

В июле 2019 г. астрономы из США, ФРГ и Израиля сообщили об открытии чрезвычайно компактной двойной системы ZTF J1539+5027, образованной белыми карликами [29] Kevin, B. Burdge et al, General Relativistic Orbital Decay in a Seven-Minute-Orbital-Period Eclipsing Binary System // Nature ( 25 July 2019), 571: 528–531. . Их массы вполне обычны — 0,61 и 0,21 массы Солнца. Радиус более массивного партнера округленно равен 10 860 км, а более легкого — 21 850 км. Они обращаются вокруг барицентра по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, совершая один оборот за 6 минут 55 секунд. Столь короткий период объясняется очень малой (конечно, по астрономическим масштабам) суммой больших полуосей их орбит относительно барицентра. Она составляет лишь 78 000 км, что почти в пять раз меньше среднего расстояния от Земли до Луны! Длина большой полуоси орбиты легкого карлика пары равна 58 200 км, а тяжелого — 19 800 км. Теперь вспомним, что радиус Сатурна — 58 232 км. Так что, если поместить барицентр в его геометрический центр, обе орбиты окажутся внутри планеты.

ZTF J1539+5027 не может считаться абсолютным чемпионом среди двойных белых карликов по малости орбитального периода. Самой короткопериодической системой до сих пор остается HM Рака, о которой у нас чуть выше шла речь в связи с сокращением ее орбитального периода из-за гравитационного излучения. Еще один двойной белый карлик с 9,5-минутным периодом — это V407 Vul, открытый в 2000 г. Однако ZTF J1539+5027 на сегодня является самой короткопериодической парой белых карликов, которые на каждом обороте дважды (то есть примерно раз в 3,5 минуты) перекрывают свет друг друга, доходящий до земных наблюдателей (такие двойные звезды называют затменными). Второе место в этом списке занимает пара белых карликов WD J0651+2844, которые затмевают друг друга каждые шесть с небольшим минут (дважды в течение орбитального периода, равного 12 минутам 45 секундам). Дистанция между ними приблизительно равна 115 000 км. Более тяжелый карлик имеет массу 0,49 массы Солнца при радиусе около 9880 км. Масса второго равна 0,247 солнечной, а радиус 25 820 км.

Новооткрытые карлики сильно отличаются по степени нагрева. Эффективная температура более массивного карлика, измеренная на базе спектроскопии его излучения, приближается к 50 000 K. Температура его легкого партнера пока точно не измерена, однако, во всяком случае, не превышает 10 000 K.

Данные о массах и радиусах новооткрытой пары (и, для сравнения, также системы WD J0651+2844) хорошо иллюстрируют важную особенность белых карликов. Как уже говорилось, радиус этих звезд обратно пропорционален корню третьей степени из массы. Следовательно, с увеличением массы он не возрастает, а падает, что видно и в данном случае. Это противоречит интуиции (для сравнения: радиус звезд солнечного типа приблизительно пропорционален квадратному корню их массы, поэтому чем тяжелее звезда, тем она больше), но такова природа белых карликов. Она проявляется и в аномально большом радиусе самого легкого из известных белых карликов J0917+46, о котором речь пойдет ниже.

Затменные двойные звезды (включая, естественно, и белые карлики), если так можно выразиться, очень выгодны для наблюдений. Фотометрические промеры кривой блеска такой пары позволяют точно определить частоту затмений, а тем самым и ее орбитальный период. Не вдаваясь в подробности, отмечу, что эта информация вкупе с данными об орбитальных скоростях звезд (которые измеряются по смещению спектральных линий на основе эффекта Доплера) сильно облегчает определение их масс и геометрических характеристик орбит. В двух описанных случаях астрономам очень помогло то обстоятельство, что обе орбиты видны почти с ребра (угол между перпендикуляром к плоскости орбиты и лучом зрения равен 84° для системы ZTF J1539+5027 и 87° для WD J0651+2844). Такое расположение орбит сильно способствует спектроскопическому определению орбитальных скоростей.

ZTF J1539+5027, как и прочие тесные пары белых карликов, интенсивно излучает гравитационные волны. К сожалению, их невозможно детектировать ни уже действующими гравитационными антеннами LIGO и Virgo, ни их будущими партнерами, которые, скорее всего, построят и запустят в следующем десятилетии. Дело здесь даже не в слабости гравитационно-волновых сигналов от таких пар, а в их низкочастотности. Частота гравитационного излучения звездной пары приблизительно (а если звезды обращаются по круговым орбитам, то точно) равна удвоенной частоте орбитального вращения. Поскольку орбитальные периоды тесных пар белых карликов составляют минуты или десятки минут, соответствующие частоты измеряются тысячными долями герца (миллигерцами). В этом и состоит препятствие, так как чувствительность любых наземных детекторов гравитационных волн ограничена снизу частотами порядка герца. Такое ограничение накладывают сейсмические шумы нашей планеты, которые невозможно устранить никакими демпфирующими устройствами.

Однако положение вовсе не безнадежно. Гравитационные сигналы спаренных белых карликов можно будет засечь с помощью космической гравитационной обсерватории LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которая, как предполагается, может быть запущена где-то около 2034 г. Эти наблюдения позволят получить дополнительную информацию о параметрах системы ZTF J1539+5027 и надежно определить ее расстояние до Солнца. Вытекающие отсюда возможности детально проанализированы в статье Тайсона Литтенберга и Нила Корниша «Перспективы измерения гравитационных волн ZTF J1539+5027» (Prospect for Gravitational Wave Measurement of ZTF J1539+5027), которая 23 августа 2019 г. появилась в The Astrophysical Journal Letters . Поскольку о системе ZTF J1539+5027 сейчас известно очень много, она сможет послужить своего рода опорной базой для наблюдений на интерферометре LISA. Литтенберг и Корниш полагают, что собранные сведения помогут уточнить скорость распространения гравитационных волн. Согласно ОТО, она равна скорости света, однако некоторые теории допускают несовпадение этих скоростей. Выявление таких различий стало бы открытием фундаментальной важности. Напротив, если новые измерения покажут, что обе скорости могут разниться намного меньше, чем допускали результаты прежних наблюдений, фундамент ОТО вновь укрепится.