Чёрная вдова в новом облике: загадка пульсара J1928+1815

от

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование предлагает альтернативное объяснение природы необычной двойной системы J1928+1815, указывая на то, что она может быть самой массивной из известных систем «чёрная вдова».

Наблюдения за распределением пульсаров в плоскости $E˙−P_b$ демонстрируют, что уникальные характеристики пульсара J1928+1815, а именно его мощность спин-дауна и орбитальное разделение, препятствуют эффективному охлаждению, при этом выделенная область на графике, соответствующая системе с белым карликом массой $1\,\text{M}_\odot$ и нейтронной звездой массой $1.4\,\text{M}_\odot$, указывает на условия, способствующие подобному процессу, а границы этой области, различающиеся в зависимости от массы белого карлика (0.6 $\text{M}_\odot$), позволяют предположить, что вновь открытые пульсары в этой зоне также могут проявлять аналогичные явления.
Наблюдения за распределением пульсаров в плоскости $E˙−P_b$ демонстрируют, что уникальные характеристики пульсара J1928+1815, а именно его мощность спин-дауна и орбитальное разделение, препятствуют эффективному охлаждению, при этом выделенная область на графике, соответствующая системе с белым карликом массой $1\,\text{M}_\odot$ и нейтронной звездой массой $1.4\,\text{M}_\odot$, указывает на условия, способствующие подобному процессу, а границы этой области, различающиеся в зависимости от массы белого карлика (0.6 $\text{M}_\odot$), позволяют предположить, что вновь открытые пульсары в этой зоне также могут проявлять аналогичные явления.

Анализ данных позволяет предположить, что затмения радиосигналов вызваны сильно аблядированным белым карликом, а не гелиевой звездой, как предполагалось ранее.

Неоднозначность интерпретации радиоэклипсов в пульсарных двойных системах часто затрудняет однозначное определение природы компаньона. В работе, озаглавленной ‘An Alternative Explanation for the Helium Star Pulsar Binary J1928+1815: The Most Heavyweight Black Widow System to Date’, представлены результаты глубокого инфракрасного наблюдения двойной системы J1928+1815, предлагающие альтернативное объяснение: данная система, вероятно, является массивной «черной вдовой» с сильно абляционным белым карликом. Полученные ограничения на яркость указывают на то, что предполагаемый гелиевый компаньон менее вероятен, чем модель массивного белого карлика, нагреваемого и испаряемого мощным излучением пульсара. Может ли данная система представлять собой новый класс «черных вдов» и расширить наше понимание механизмов, приводящих к радиоэклипсам в пульсарных двойных системах?

Миллисекундные пульсары и белые карлики: Зеркала звёздной эволюции

Двоичные системы, состоящие из миллисекундных пульсаров и белых карликов, представляют собой конечную стадию эволюции двойных звезд, демонстрируя экстремальные физические условия, не встречающиеся в других астрофизических объектах. Эти системы формируются в результате длительного процесса аккреции вещества с обычного компаньона на нейтронную звезду, что приводит к спин-апу нейтронной звезды до миллисекундных периодов вращения и образованию белого карлика в качестве остатка донора. Интенсивные гравитационные поля, высокие плотности вещества и сильные магнитные поля вблизи нейтронной звезды создают уникальную лабораторию для изучения физики в экстремальных условиях, где проверяются предсказания общей теории относительности и теории плотных звезд. Изучение этих систем позволяет понять процессы, происходящие в конце жизненного цикла звезд, и предоставляет ценную информацию о фундаментальных законах физики.

Двойные системы, состоящие из миллисекундных пульсаров и белых карликов, представляют собой уникальные лаборатории для изучения фундаментальной физики и проверки теорий звёздной эволюции. Изучение этих систем позволяет исследовать экстремальные гравитационные поля и проверять предсказания общей теории относительности Эйнштейна с беспрецедентной точностью. Наблюдения за орбитальным движением этих двойных систем дают возможность измерить массы компаньонов и проверить модели образования и эволюции звёзд, в частности, процессы переноса массы и аккреции вещества. Более того, анализ пульсирующих сигналов от миллисекундных пульсаров позволяет изучать свойства плотной материи и проверять различные уравнения состояния, описывающие поведение вещества при сверхвысоких плотностях, что имеет значение для понимания природы нейтронных звёзд и других экзотических объектов во Вселенной. Таким образом, детальное исследование этих двойных систем открывает новые возможности для углубления знаний о фундаментальных законах природы и эволюции звёзд.

Детальное изучение двойных систем, состоящих из миллисекундных пульсаров и белых карликов, представляет собой сложную задачу, требующую преодоления значительных наблюдательных трудностей. Обнаружение и характеристика компаньона, как правило, белого карлика, затруднены из-за его малых размеров и тусклого свечения по сравнению с чрезвычайно ярким и быстро вращающимся пульсаром. Необходимость высокоточных измерений радиальных скоростей и аномалий во времени импульсов требует использования самых современных телескопов и передовых методов анализа данных. Кроме того, ориентация системы относительно наблюдателя может существенно влиять на наблюдаемые сигналы, что требует тщательного моделирования для точного определения параметров компаньона, таких как масса и радиус, которые являются ключевыми для проверки теорий звездной эволюции и понимания физики экстремальных условий в этих системах.

Пути звёздной эволюции: От рентгеновских двойных к миллисекундным пульсарам

Формирование двойных систем миллисекундных пульсаров и белых карликов (MSP-WD) часто начинается с рентгеновской двойной системы с высокой массой (HMXB). В процессе эволюции HMXB происходит значительный перенос массы с массивного донора на компаньона, что приводит к фазе общей огибающей (Common Envelope Phase). В этой фазе звезда-компаньон погружается в расширенную атмосферу донора, что вызывает потерю энергии и сближение звёзд. Этот процесс может приводить к образованию тесной двойной системы, где белый карлик является конечным продуктом эволюции звезды-компаньона, а перенос массы и последующая аккреция формируют параметры системы, наблюдаемые в MSP-WD двойных.

В результате переноса массы и фазы общей оболочки в системах MSP-WD образуется маломассивный белый карлик. Его масса и состав определяются процессами аккреции вещества от нейтронной звезды и последующей абляцией — удалением вещества с поверхности белого карлика под воздействием интенсивного излучения или потока частиц. Интенсивность аккреции влияет на химический состав белого карлика, обогащая его тяжелыми элементами, в то время как абляция уменьшает его массу и может изменять его структуру. Данные процессы формируют наблюдаемые характеристики белых карликов в MSP-WD системах, позволяя проводить исследования эволюции этих двойных систем.

Система J1928+1815, обнаруженная в ходе обзора FAST Galactic Plane Pulsar Snapshot Survey, представляет собой важный объект для проверки моделей эволюции двойных систем, включающих миллисекундные пульсары и белые карлики. Определение орбитального периода, составившего 3.60 часа и полученного в результате трехлетних наблюдений за временем прихода импульсов, позволяет точно характеризовать параметры системы. Полученные данные служат для калибровки и проверки теоретических предсказаний относительно процессов переноса массы, общей оболочки и конечной конфигурации подобных двойных систем, что критически важно для понимания эволюции компактных объектов.

Мультиволновое исследование J1928+1815: От инфракрасного до радиодиапазона

Для исследования J1928+1815 была применена мультиволновой подход, объединивший данные из различных источников. Использовались данные обзора Two Micron All Sky Survey (2MASS) для получения информации в инфракрасном диапазоне, а также астрометрические данные миссии Gaia, обеспечивающие точное определение положения и движения объекта. Дополнительно были получены собственные наблюдения в ближней инфракрасной области спектра с использованием инструмента EMIR, установленного на телескопе GTC (Gran Telescopio Canarias). Комбинация этих данных позволила получить комплексное представление о системе и провести детальный анализ ее характеристик.

Для обработки данных, полученных с инструментом EMIR@GTC, был использован программный пакет PyEmir. Применение PyEmir позволило провести точное измерение орбитальных параметров системы J1928+1815 и детальную характеристику свойств компаньона. В частности, были определены периоды обращения, эксцентриситет орбиты и масса функции, что позволило установить нижнюю границу массы компаньона. Полученные данные позволили уточнить характеристики системы и сравнить ее с другими известными двойными системами, содержащими белые карлики.

В ходе наблюдений J1928+1815 был зарегистрирован отчетливый радиоэклипс, предположительно вызванный затенением в магнитосфере белого карлика. Достигнутые предельные величины составили 23.728 ± 0.150 в J-полосе и 22.207 ± 0.276 в H-полосе, что на 33-44 звездных величины глубже, чем в предыдущих исследованиях. Данный результат позволяет получить более детальную информацию о структуре магнитосферы и процессах, происходящих в системе.

Для оценки астрометрической точности анализа, положение яркого объекта на изображении определено по данным Gaia, EMIR и измерено с помощью SExtractor, что позволяет оценить точность определения координат относительно центра синего круга и кольцевой области для измерения локального фона.
Для оценки астрометрической точности анализа, положение яркого объекта на изображении определено по данным Gaia, EMIR и измерено с помощью SExtractor, что позволяет оценить точность определения координат относительно центра синего круга и кольцевой области для измерения локального фона.

Классификация и понимание изменчивости компаньона: За гранью «Черной вдовы» и «Красного спина»

Пульсар J1928+1815 демонстрирует признаки, характерные как для пульсаров типа «Черная вдова», так и для «Красных спин», что указывает на существование непрерывного спектра типов звезд-компаньонов в этих системах. Ранее считалось, что эти два типа пульсаров различаются по массе и размеру звезды-компаньона, однако J1928+1815 проявляет свойства, промежуточные между ними. Это открытие позволяет предположить, что классификация на «Черных вдов» и «Красных спин» может быть упрощенной, и существует множество переходных форм. Изучение J1928+1815 способствует пересмотру существующих моделей эволюции двойных систем, состоящих из миллисекундных пульсаров и белых карликов, и позволяет лучше понять процессы переноса массы и абляции вещества между звездами.

Наблюдаемые радиоэклипсы у пульсара J1928+1815, занимающие около 17% от полного орбитального периода, представляют собой исключительную характеристику, отличающую данную систему от большинства известных миллисекундных пульсаров с белыми карликами-компаньонами. Продолжительность и форма этих эклипсов накладывают строгие ограничения на геометрию системы, а также на свойства окружающего материала, вероятно, представляющего собой аккреционный диск или поток вещества от компаньона. Анализ этих эклипсов позволяет уточнить модели формирования и эволюции подобных двойных систем, давая возможность оценить размеры и плотность окружающего вещества, а также углы наклона орбиты и другие ключевые параметры, необходимые для понимания процессов переноса массы и абляции в столь экзотических объектах.

Анализ данных позволил установить минимальную массу звезды-компаньона в системе J1928+1815, которая составляет 1,15 массы Солнца при массе пульсара 1,4 солнечных масс, или 0,97 массы Солнца при массе пульсара 1,0 солнечных масс. Полученные результаты вносят существенный вклад в уточнение моделей переноса массы и абляции в двойных системах, состоящих из миллисекундного пульсара и белого карлика. Эти данные позволяют лучше понять процессы формирования и эволюции подобных экзотических систем, а также исследовать механизмы, приводящие к столь высоким массам звезд-компаньонов в таких бинарных конфигурациях. Понимание этих процессов является ключевым для построения более точных теорий эволюции двойных звезд и их конечной судьбы.

Исследование системы J1928+1815 демонстрирует, как легко можно увлечься удобной, но неточной моделью. Первоначальное предположение о гелиевой звезде оказалось притягательным, однако детальный анализ указывает на более вероятный сценарий — массивную чёрную вдову с сильно аблядированным белым карликом. Как метко заметил Лев Ландау: «В науке главное — не найти ответ, а правильно сформулировать вопрос». Именно этот принцип позволил авторам пересмотреть изначальную гипотезу и предложить альтернативное объяснение, основанное на более тщательном анализе наблюдательных данных и физических процессов, происходящих в двойной системе. Очевидно, что горизонт событий этой системы открывает новые вопросы, а не закрывает старые.

Что дальше?

Исследование системы J1928+1815, как и любое другое столкновение со сложным астрофизическим объектом, обнажает границы существующего знания. Предложенное объяснение, хоть и представляется более вероятным, не является окончательным. Реальная природа аккрецирующего белого карлика, степень его абляции и механизм возникновения радиозатмений остаются предметом дальнейших исследований. Всегда ли столь массивные системы ведут себя предсказуемо, или же мы имеем дело с редким исключением, нарушающим устоявшиеся модели?

Попытки гелиосейсмического анализа остатков белого карлика, если они окажутся возможными, могут предоставить бесценную информацию о его внутреннем строении и истории эволюции. Однако, следует помнить, что любые выводы, основанные на косвенных данных, несут в себе элемент неопределенности. Чёрная дыра не терпит преувеличений, она лишь отражает наши попытки познания, усиливая их слабости.

В конечном счете, изучение подобных систем — это не поиск окончательных ответов, а постоянное переосмысление фундаментальных принципов. Любая теория хороша, пока свет не покинет её пределы. И в этой тишине, за горизонтом событий, нас ждут новые, возможно, более скромные, но более точные представления о Вселенной.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.17248.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-24 23:23