Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Двойные системы HM Рака и V407 Vul были открыты благодаря детектированию периодических всплесков рентгеновского излучения, исходящего из этих систем. В обоих случаях оно генерируется из-за аккреции плазмы с одного из карликов на поверхность другого. Система ZTF J1539+5027, напротив, не является рентгеновским источником, что свидетельствует об отсутствии значительной аккреции — по крайней мере, в настоящее время. А далее возможны варианты. Сейчас орбитальный период этой пары каждую секунду уменьшается приблизительно на 2,7 × 10 –11секунд — это 0,85 миллисекунды за год. Согласно вычислениям, через 130 000 лет он дойдет примерно до пяти минут. Как утверждают авторы упоминавшейся выше статьи в Nature , на этом этапе начнется интенсивный перенос вещества с легкого карлика (имеющего, напомню, больший радиус) на массивный. Дальнейшая судьба этой системы будет зависеть от характера переноса, который однозначно не прогнозируется.

Существование столь тесных пар белых карликов может показаться удивительным, но на самом деле это вполне рядовая ситуация. Они рождаются в результате естественной эволюции двойных систем со сближающимися звездами главной последовательности. Такое сближение происходит в результате повторяющихся обменов вещества, которое перетекает от звезды к звезде через горловины Роша. При подходящих условиях оно приводит к потере двойной системой момента импульса и уменьшению дистанции между членами пары. Как показывают компьютерные симуляции, даже при начальном межзвездном расстоянии в несколько десятков или сотен миллионов километров, оно всего лишь за 10–100 миллионов лет может дойти до нескольких сотен тысяч или максимум миллиона километров. На этой стадии звезды могут превратиться в белые карлики, которые будут сближаться еще быстрее за счет испускания гравитационных волн.

И это отнюдь не только теория. В последние годы в нашей Галактике были обнаружены десятки очень тесных двойных систем с периодами продолжительностью всего лишь в несколько часов. Со временем они превратятся в совсем уж тесные пары белых карликов.

Могут ли белые карлики располагать планетами или даже — чем черт не шутит — планетными системами? До недавнего времени это считалось лишь теоретически возможным. На что указывало наблюдение белых карликов, окруженных газопылевыми дисками, — карликов с такими свитами известно не так много, но они, вне всякого сомнения, существуют. А в таких дисках в принципе могут обретаться и тела макроскопических размеров.

Информация о возможном открытии первого такого тела была обнародована весной 2019 г. Кристофер Мансер и его коллеги обнаружили периодические сдвиги спектральных линий излучения горячего диска, окружающего белый карлик SDSS J122859.93+104032.9, удаленный от Солнца на 400 световых лет. Они интерпретировали их как результат возмущений вещества диска, вносимых движением тела диаметром от 4 до 600 км, которое обращается вокруг карлика на очень малой высоте — от 2 до 200 км [30] Christopher, J. Manser et al. A planetesimal orbiting within the debris disc around a white dwarf star // Science (5 April 2019), 364 (6435): 66–69. . По масштабам Солнечной системы это не планета, а только астероид, но все же не из самых малых.

А в самом конце 2019 г. появилось куда более сенсационное сообщение. Команда астрофизиков из Британии, ФРГ и Чили объявила о вероятном открытии крупной планеты, обращающейся на близком расстоянии от горячего белого карлика WDJ0914+1914 из созвездия Рака, отделенного от нас дистанцией в 1500 световых лет [31] Boris, T. Gänsicke et al. Accretion of a giant planet onto a white dwarf star, Nature (5 December 2019), 576: 61–64. . Как показали наблюдения на телескопе Very Large Telescope, принадлежащем Европейской южной обсерватории (Чили), он окружен газовым диском, состоящим в основном из водорода, кислорода и серы. Карлик стягивает на себя (аккрецирует) вещество диска в количестве 3300 тонн за секунду. Ученые полагают, что источником этого газа служит планета с массой порядка массы Нептуна, которая обращается вокруг белого карлика по эллиптической орбите с большой полуосью в 15 солнечных радиусов (приблизительно 10 млн км). Излучение карлика испаряет ее газовую оболочку и тем самым обеспечивает устойчивую аккрецию из диска на его поверхность.

Авторы статьи в Nature смоделировали будущее этой странной пары. Сейчас поверхность WDJ0914+1914 нагрета до 27 750 K. Через 350 млн лет он остынет настолько, что атмосфера планеты-спутника практически перестанет испаряться. Планета к тому времени потеряет не более 4 % своей первоначальной массы.

Правда, сателлит белого карлика WDJ0914+1914 был обнаружен по косвенным признакам, и потому его открытие пока не вполне достоверно. Однако уже в сентябре 2020 г. в журнале Nature появилось сообщение о другом белом карлике, чей спутник удалось отловить с помощью прямых оптических наблюдений. Это старый и довольно холодный белый карлик WD1856+534, удаленный от Земли на 81 световой год. Вокруг него на небольшой дистанции обращается крупное небесное тело с радиусом в 10 раз больше земного, которое делает один оборот всего за 34 часа. Оно периодически и весьма сильно экранирует доходящий до Земли свет белого карлика, чем и выявляет свое присутствие на близкой к карлику орбите. Его массу пока измерить не удалось, но она наверняка не превышает 14 масс Юпитера. Авторы статьи в Nature считают, что новооткрытый спутник белого карлика WD1856+534, скорее всего, представляет из себя планету юпитерианского типа, однако в принципе может оказаться и легким коричневым карликом. Интересно, что сам белый карлик имеет компаньонов и посолиднее, поскольку входит в состав тройной звездной системы. Так что теперь наличие планет вокруг белых карликов можно считать если не полностью доказанным, то, во всяком случае, куда более вероятным.

Из сказанного ясно, что белым карликом со временем станет и наше Солнце. Посмотрим, как это произойдет.

Наше светило за время жизни уже успело сжечь немалую часть своего водорода. Солнечное ядро постепенно сжимается и разогревается. Это увеличивает светимость Солнца, которая после его превращения из протозвезды в звезду главной последовательности уже выросла на 25–30 % — а процесс идет и будет идти. Через 5,4 млрд лет горение водорода в центральной зоне Солнца прекратится, поскольку водорода там уже не будет, но он продолжит гореть в прилегающем слое. Давление в этой зоне быстро увеличится, Солнце потеряет гидростатическую устойчивость и начнет расширяться, превращаясь в красный гигант. Этот процесс займет около 2 млрд лет и приведет к тому, что солнечный радиус вырастет примерно в 250 раз, светимость увеличится в 2700 раз, а температура поверхности упадет до 2600 K. В этой фазе многократно возрастет интенсивность солнечного ветра, в результате чего Солнце потеряет около 30 % массы.