Изучение белых карликов подтверждает ключевые детали экстремального звездного поведения

Исследование более 26 000 белых карликов подтвердило давно предсказанный, но неуловимый эффект в этих сверхплотных умирающих звездах: более горячие белые карлики немного более «пухлые», чем более холодные, даже если они имеют одинаковую массу.

Результаты исследования приближают ученых на один шаг к использованию этих звездных объектов в качестве естественных лабораторий для исследования эффектов экстремальной гравитации и поиска экзотических частиц темной материи.

«Белые карлики — одни из наиболее хорошо изученных звезд, с которыми мы можем работать, чтобы проверить базовые теории физики в надежде, что, возможно, нам удастся найти что-то необычное, указывающее на новую фундаментальную физику», — сказала Николь Крамплер, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса, которая руководила работой.

«Если вы хотите искать темную материю, квантовую гравитацию или другие экзотические вещи, вам лучше понять обычную физику. В противном случае, что-то, что кажется новым, может оказаться просто новым проявлением эффекта, который мы уже знаем».

Белые карлики — это ядра звезд, которые когда-то были похожи на наше Солнце, но которые исчерпали весь водород, когда-то использовавшийся в качестве ядерного топлива. Эти мертвые звезды настолько плотные, что чайная ложка их материала весит более тонны, что намного тяжелее обычной материи. При такой плотной упаковке массы их гравитационное притяжение может быть в сотни раз сильнее земного.

Исследование основывалось на измерениях того, как экстремальные условия влияли на световые волны, испускаемые белыми карликами. Свет, удаляющийся от таких массивных объектов, теряет энергию в процессе выхода из гравитации, постепенно становясь краснее. Этот эффект «красного смещения» растягивает световые волны способами, которые могут измерить телескопы. Он является результатом искривления пространства-времени, вызванного экстремальной гравитацией, как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна.

Усредняя измерения движений белых карликов относительно Земли и группируя их по гравитации и размеру, команда ученых выделила гравитационное красное смещение, чтобы измерить, как более высокие температуры влияют на объем их газообразных внешних слоев.

Исследование продолжает усилия той же группы из Университета Джонса Хопкинса. Их работа 2020 года, проведенная среди 3000 белых карликов, подтвердила, что звезды сжимаются по мере набора массы из-за «давления вырождения электронов», квантово-механического процесса, который сохраняет их плотные ядра стабильными в течение миллиардов лет без необходимости ядерного синтеза, который обычно поддерживает Солнце и другие типы звезд.

Николь Крамплер отметила, что до сих пор у ее команды не было достаточно данных, чтобы с уверенностью подтвердить более тонкое, но важное влияние высоких температур на соотношение массы и размера.

Исследование объединяет наблюдения из Sloan Digital Sky Survey, который использует телескопы в Чили и Нью-Мексико, и миссии Gaia Европейского космического агентства. Оба проекта непрерывно картографируют и отслеживают миллионы звезд, галактик и других космических объектов.

«Следующим рубежом может стать обнаружение чрезвычайно небольших различий в химическом составе ядер белых карликов разной массы», — сказала Надя Закамска, профессор астрофизики Университета Джонса Хопкинса, руководившая исследованием.

«Мы не до конца понимаем, какой максимальной массой может обладать звезда, чтобы образовать белый карлик, в отличие от нейтронной звезды или черной дыры. Все более точные измерения могут помочь нам проверить и уточнить теории об этом и других плохо изученных процессах в эволюции массивных звезд».

Наблюдения также могут помочь в попытках обнаружить признаки темной материи, такие как аксионы или другие гипотетические частицы. Предоставляя более подробную картину структур белых карликов, астрономы могли бы использовать эти данные для обнаружения сигнала определенной модели темной материи, которая приводит к интерференционной картине в нашей галактике.

По словам ученых, если два белых карлика находятся в одном и том же пятне интерференции темной материи, то темная материя изменит структуру этих звезд одинаковым образом.

Несмотря на то, что темная материя обладает гравитацией, она не излучает свет или энергию, которые могут увидеть телескопы. Ученые знают, что она составляет большую часть материи в космосе, поскольку ее гравитация влияет на звезды, галактики и другие космические объекты подобно тому, как Солнце влияет на орбиту нашей планеты.

«Мы знаем очень многое из того, чем не является темная материя, и у нас есть ограничения на то, что она может делать, а что нет, но мы все еще не знаем, что это такое. Вот почему так важно понимать более простые астрофизические объекты, такие как белые карлики, потому что они дают надежду на открытие того, чем может быть темная материя».

Подробности исследования опубликованы в The Astrophysical Journal.