ОБНАЖЁННАЯ ЗВЕЗДА, СКРЫТЫЙ ПАРТНЁР И ОРБИТА В 4,2 ЧАСА

Маленькая, очень горячая звезда в Малом Магеллановом Облаке, за пределами Млечного Пути, совершает один оборот за 4 часа 10 минут вокруг партнёра, который не испускает света. Её зовут DGL-3, а её скрытый партнёр — скорее всего, нейтронная звезда: сверхплотное сколлапсировавшее ядро, которое остаётся, когда взрывается массивная звезда.

Звезда со снятыми внешними слоями

DGL-3 — обнажённая звезда (stripped star): она потеряла внешнюю оболочку, богатую водородом, при взаимодействии с компаньоном. То, что осталось, компактно, горячо, бедно водородом и сжигает гелий в своём центре.

Масса: около 3,4 массы Солнца, оценённая по её светимости, с очень несимметричным допуском (от 2,96 до 7,72 массы Солнца).
Радиус: около 0,77 солнечного; температура поверхности: около 71 000 кельвинов; водород: всего 10% поверхности.

Звёзды такой «промежуточной» массы достаточно тяжелы, чтобы их ядро сколлапсировало в нейтронную звезду, но недостаточно тяжелы, чтобы образовать чёрную дыру. В современных моделях пары нейтронных звёзд, настолько тесные, что могут слиться, сходясь по спирали и излучая гравитационные волны, сначала проходят ровно через эту стадию: нейтронная звезда на орбите вокруг обнажённой звезды. Эту стадию ещё никогда не наблюдали напрямую, а предсказанные темпы слияний расходятся на несколько порядков.

Как взвесить партнёра, который не светит

Команда получила 38 спектров на 6,5-метровом телескопе «Магеллан» в Чили с 2019 по 2022 год. Спектральные линии звезды — тёмные линии на строго определённых цветах в её свете — смещаются в синюю сторону, когда она приближается к нам, и в красную, когда удаляется (эффект Доплера); они показывают, что она раскачивается к нам и от нас со скоростью до 151,4 км/с по круговой орбите, которую проходит за 4,1693 часа.

Период и скорость дают функцию масс, которая связывает массу партнёра с массой самой звезды и с наклоном орбиты, видимым с Земли (её наклонением). Орбита, видимая строго с ребра, даёт самого лёгкого партнёра, какого допускает орбита; с учётом неопределённой массы звезды типичное значение этого минимума — 1,38 ± 0,25 массы Солнца, чуть меньше 1,4 — массы, которой может достигать белый карлик (см. ниже). Поэтому одна лишь орбита не может исключить белого карлика.

Не обычная звезда: звезда такой массы была бы слишком велика, чтобы поместиться внутри столь тесной орбиты.
Не вторая обнажённая звезда: поддельных обнажённых компаньонов, подмешанных в реальные спектры, каждый раз обнаруживали, а в настоящих данных никаких их следов нет.

Остаётся компактный объект: белый карлик (плотное остаточное ядро более лёгкой звезды), нейтронная звезда или чёрная дыра.

99,4% из колебания в 2,5%

18 декабря 2022 года быстрая камера на 3,5-метровом телескопе в Ла-Силье снимала DGL-3 каждые 20 секунд в течение примерно 3,4 часа. Её блеск растёт и падает примерно на 2,5% дважды за орбиту: гравитация партнёра слегка вытягивает звезду в форму яйца, длинную сторону которого мы видим дважды за оборот, — насколько, зависит от массы партнёра и от наклонения.

Команда рассчитала 500 000 моделей этой кривой блеска и взвесила каждую по тому, насколько хорошо она согласуется с данными. Для массы партнёра:

наиболее вероятное значение — 1,58 массы Солнца;
лишь 0,6% вероятности приходится на значения ниже 1,4 массы Солнца, предела Чандрасекара, который исключает белого карлика: отсюда вероятность 99,4%, что партнёр слишком массивен, чтобы им быть;
лишь 3,4% приходится на диапазон подтверждённых чёрных дыр; остальная часть тяжёлого «хвоста» распределения попадает в разрыв между нейтронными звёздами и чёрными дырами.

Поэтому нейтронная звезда — наиболее вероятный партнёр: это вероятность, а не доказательство. Рентгеновские телескопы ничего не обнаружили; нейтронная звезда, поглощающая газ своего партнёра, светилась бы в рентгеновских лучах, но авторы считают это молчание совместимым с нейтронной звездой, которую питает слабый звёздный ветер.

Будущее, написанное компьютерной моделью

Затем команда провела эволюцию системы с помощью кода звёздной эволюции MESA: обнажённая звезда в 3,6 массы Солнца, нейтронная звезда в 1,4, орбита в 4,2 часа. Дальнейшее — предсказание, а не наблюдение.

Звезда сжигает гелий в ядре ещё 1,4 миллиона лет, а затем раздувается. На столь тесной орбите достаточно вырасти всего на половину солнечного радиуса, чтобы она стала переполняться и переливать газ на партнёра.
За 26 000 лет в космос уходит 1,2 массы Солнца. Нейтронная звезда поглощает лишь 0,00072 массы Солнца — этого хватает, чтобы раскрутить её до одного оборота за 79 миллисекунд. Орбита сжимается до 1,9 часа.
Лишившись всего водорода, звезда взрывается как сверхновая и оставляет вторую нейтронную звезду. При орбитальной скорости почти 800 км/с разорвать пару мог бы только необычно сильный толчок — отдача, которую взрыв может придать новорождённой нейтронной звезде.
Взрыв сдувает около одной массы Солнца газа. Остаются две нейтронные звезды на более широкой вытянутой орбите с периодом 4,4 часа, и они сливаются 220 миллионов лет спустя.

Где прогноз может дать сбой

Самое слабое звено, по словам авторов, — сколько углового момента, «количества вращения» орбиты, уносит уходящий газ. В одном из семи вариантов модели потерянный газ образует диск вокруг обеих звёзд, и пара сливается ещё до второй сверхновой. В шести других образуются две нейтронные звезды, которые в конце концов сливаются — спустя от 175 миллионов до 7,9 миллиарда лет.

DGL-3 находится примерно в 60 600 парсеках — около 200 000 световых лет (один парсек равен примерно 3,26 светового года). Будь она в 60–600 раз ближе, на расстоянии от 100 до 1000 парсеков низкочастотные гравитационно-волновые обсерватории, такие как LISA, обнаружили бы её, отмечают авторы.