Космический радиолазер: двойные звезды пульсируют как гигантская система Юпитера и Ио

В течение многих лет астрономы пытались понять природу загадочных радиосигналов, исходящих от некоторых двойных звездных систем. Исследователи из Калифорнийского технологического института под руководством научного сотрудника Ици Чжуна и профессора Элиаса Моста наконец пролили свет на эту тайну. Используя сложное суперкомпьютерное моделирование, они обнаружили, что длительные радиовспышки рождаются в результате взаимодействия пары звезд — компактного белого карлика и холодной звезды-карлика типа M, которое работает по тому же принципу, что и генерация мощных радиоволн в системе Юпитера и его спутника Ио.  

Наблюдаемый класс объектов представляет собой удивительные пары, где всегда присутствует мертвая и плотная звезда — белый карлик, вращающаяся вместе с красным карликом типа M, который меньше нашего Солнца. Особый интерес у ученых вызвало то, что некоторые из этих систем испускают радиоволны с интервалами в несколько минут, и этот процесс может длиться часами.

Такая периодичность кардинально отличается от быстрых радиоимпульсов, которые генерируют пульсары, вращающиеся мертвые звезды, чьи вспышки повторяются всего за несколько секунд. До недавнего времени оставалось загадкой, каким образом орбитальное движение этих двух звезд может порождать столь мощные и продолжительные сигналы, и почему эти вспышки выглядят как отдельные импульсы, а не как непрерывное излучение.

Ключ к разгадке оказался в физическом механизме, известном как электронно-циклотронная мазерная нестабильность, который хорошо изучен на примере нашей Солнечной системы. Этот процесс возникает, когда заряженные частицы, в данном случае электроны, двигаются по спирали вдоль линий магнитного поля. В результате такого движения они начинают работать как естественный космический лазер, или мазер, генерируя мощные пучки радиоизлучения.

В случае Юпитера и его вулканического спутника Ио, который движется сквозь мощное магнитное поле планеты, возникает гигантский электрический ток силой в миллион ампер. Именно этот ток и питает знаменитые радиовспышки, наблюдаемые астрономами с 1955 года. Исследователи из Калифорнийского технологического института смогли показать, что в двойных системах «белый карлик-карлик типа M» происходит абсолютно тот же процесс, но только в гораздо более грандиозных, звездных масштабах.

Проведенное компьютерное моделирование позволило ученым впервые детально воссоздать условия, существующие в этих далеких системах, и проследить за поведением электронов в нелинейной фазе развития нестабильности. Оказалось, что электроны в мощном токе, возникающем между двумя звездами, начинают двигаться синхронно, словно танцоры на балу, исполняющие вальс. Это коллективное движение и приводит к тому, что мазерное излучение становится невероятно ярким и эффективным. Более того, моделирование предсказало, что радиоволны будут иметь определенную поляризацию, напоминающую блики света на водной глади, что полностью соответствует данным наблюдений реальных космических источников, таких как GLEAM-X J0704-37.

В ходе исследования была сделана еще одна важная находка, касающаяся эффективности этого механизма. Ранее считалось, что преобразование энергии движения звезд в радиоволны происходит с определенным коэффициентом полезного действия. Однако новые расчеты показали, что на самом деле этот механизм работает примерно в десять раз эффективнее, чем предполагалось до сих пор.

Это означает, что даже небольшое количество энергии, затрачиваемое на генерацию тока, может приводить к образованию гораздо более мощных и ярких радиосигналов, которые мы можем зафиксировать с Земли. Это открытие не только объясняет природу наблюдаемых вспышек, но и заставляет пересмотреть старые теоретические выкладки о том, сколько энергии могут излучать подобные звездные пары.

Таким образом, исследователям удалось не просто разгадать конкретную астрономическую загадку, но и подтвердить универсальность законов физики. Механизм, открытый на примере системы Юпитер-Ио, оказался применим к объяснению явлений, происходящих на расстоянии многих световых лет от нас. Работа показывает, что теория, предложенная еще в 1969 году знаменитыми учеными Питером Голдрейхом и Дональдом Линден-Беллом, блестяще подтверждается на новом, звездном уровне.

Результаты этого исследования закладывают прочный фундамент для будущего систематического изучения радиоизлучения от взаимодействующих белых карликов и помогают астрономам лучше понимать сложные и динамичные процессы, происходящие в нашей Галактике.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях