Астрономы нашли, возможно, самую горячую звезду в Галактике. Этот объект греет планетарную туманность Жук, однако найти его не удавалось несколько десятилетий. Помогла лишь новая камера «Хаббла».
Последний ремонт космического телескопа имени Хаббла был самым дорогим в истории, но астрономы продолжают доказывать, что он того стоил. Еще не утихли страсти по поводу обнаружения самых далеких и самых молодых галактик Вселенной, найденных с помощью новой камеры WFC3 космического телескопа, а ученые уже разглядели в нее новый «самый-самый» объект.
Они, наконец, уверенно обнаружили центральную звезду знаменитой планетарной туманности Жук (или Бабочка), найти которую не удавалось долгие годы. Это, возможно, самая горячая звезда, известная астрономам. Температура ее поверхности составляет около 200 тыс. градусов, а, может быть, и больше. Открытие описано в работе ученых из Германии, Великобритании и Испании под руководством польского аспиранта Манчестерского университета Цезария Шишки; статья принята к публикации в Astrophysical Journal Letters и доступна в архиве электронных препринтов Корнельского университета.
Планетарная любимица
Туманность Жук, скрывающаяся под каталожным номером NGC6302 в 3−4 тыс. световых лет от Земли — один из самых любимых объектов астрономов. Как любителей, которые не прочь поискать ее в свои телескопы под жалом небесного Скорпиона, так и профессионалов, часто выбирающих Жука для наглядной иллюстрации возможностей своих инструментов. Оказалась она и среди объектов, выбранных научной командой «Хаббла» для демонстрации способностей камеры WFC3.
NGC6302 относится к классу планетарных туманностей, названных так за частое сходство с дисками планет, если смотреть на них в небольшие телескопы. По сути, это внешние слои старых и относительно небольших звезд, жизнь которых заканчивается не взрывом сверхновой, а более или менее спокойным сбросом оболочки в окружающее пространство. В центре этой оболочки остается так называемый белый карлик — звезда крохотная, но поначалу очень горячая (в конце концов, еще совсем недавно она была ядром звезды). Так, кстати, закончит свою жизнь и Солнце.
Давление вырожденного газа
Равновесие белых карликов поддерживает чисто квантовый эффект — так называемый запрет Паули, из-за которого в каждом квантовом состоянии может находиться всего один электрон. Квантовое состояние электрона определяется положением частицы и ее импульсом, то есть произведением скорости на массу (а также проекцией так называемого спина, но она может принимать лишь два значения).
При очень высокой плотности электроны, чтобы соблюсти запрет Паули, занимают все имеющиеся вакансии в пространстве импульсов. Такое состояние электронного газа называется вырожденным. Чтобы впихнуть в него еще одну частицу, она должна иметь очень высокий импульс. Но импульс частиц определяет давление газа, который из них состоит, а значит, попытка сжать такое вещество вызывает мощное сопротивление без всякого источника энергии.
У вырожденного вещества весьма необычные свойства. Например, если вылить на вырожденную звезду ведро вещества, ее радиус не увеличится, а, наоборот, уменьшится, а плотность возрастет.
В белых карликах ядерные реакции не идут, и от окончательного коллапса их удерживает чисто квантовый эффект — давление вырожденного электронного газа. В отсутствие ядерных реакций звезде остается лишь остывать, за миллиарды лет превращаясь в холодный и очень плотный звездный труп массой примерно с массу Солнца и размером где-то с диаметр Земли.
Однако прежде, чем остыть окончательно, белые карлики подсвечивают сброшенный прежде газ очень горячим излучением, то есть фотонами очень высокой энергии. Газ каскадом атомных превращений перерабатывает каждый такой фотон в десятки и сотни фотонов видимого диапазона и благодаря этому светится в окулярах наших телескопов. Это свечение мы и называем планетарной туманностью.
Пропавший источник
NGC6302 не только одна из самых красивых, но и одна из самых экстремальных планетарных туманностей. Характерную форму песочных часов сброшенному в космическое пространство газу наверняка придал плотный газопылевой бублик, окружающий оставшийся в центре объект.
Судя по скорости расширения оболочки, она была сброшена 2−2,5 тыс. лет назад (с поправкой на 3,5 тыс. лет, которые до нас летел свет от этого объекта), так что еще древние греки могли увидеть здесь не планетарную туманность, а не очень яркую (опять же из-за большого расстояния) красную звезду. За два с лишним тысячелетия оболочка расползлась почти на световой год в каждую сторону, так что сейчас туманность занимает на небе участок в пятую часть Луны в поперечнике. И что самое поразительное, она светится так, будто ее ионизуют фотоны, соответствующие температуре в сотни тысяч градусов по шкале Кельвина.
Это излучение должен испускать центральный белый карлик Жука, однако увидеть его еще ни разу не удавалось — здесь слишком сильны фон свечения газа и поглощение света пылевым бубликом. Хотя несколько лет назад Микако Мацуура и ее коллеги смогли обнаружить вблизи центра Жука непонятный точечный объект с помощью радиотелескопа, он так и не получил признания как центральный белый карлик NGC6302. И, как теперь выясняется, совершенно правильно не получил — настоящее сердце космического Жука находится на 2,5 угловых секунды южнее.
Разложили по цветам
Прибор
WFC3
Широкоугольная камера (Wide-Field Camera) 3 представляет собой, по сути, два независимых инструмента и изготовлена на базе оригинальной широкоугольной и планетной камеры WFPC 1, снятой с «Хаббла» во время первого ремонта в 1993 году.
Канал видимого и ультрафиолетового диапазонов WFC 3 призван заменить проработавшую 16 лет камеру WFPC 2. Он способен получать фотографии неба в диапазоне от 200 до 1000 нм при разрешении 0,04 угловой секунды и квадратном поле зрения со стороной три угловые минуты. Для этого задействованы две ПЗС-матрицы формата 4096 x 2048 пикселов.
Инфракрасный канал снабжен одной мегапикселной ПЗС-матрицей (1024 x 1024 пиксела), приспособленной для регистрации фотонов ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны от 800 нм до 1,7 мкм. Ее разрешение — 0,13 угловой секунды, и она изначально рассматривалась как замена камере ближнего инфракрасного диапазона NICMOS.
Шишка и его коллеги проанализировали данные, полученные камерой WFC3 в шести узких фильтрах, соответствующих линиям излучения серы, азота, водорода, кислорода и гелия разной степени ионизации. Из этих же самых снимков, полученных 27 июля, сделана и цветная фотография NGC6302, представленная в начале сентября в подтверждение способностей камеры. На ней, кстати, впервые оказалась заметной «та самая» звезда в самом центре кадра, однако лишь Шишке удалось доказать, что это горячий белый карлик.
«Хаббл» всегда делает монохромные снимки, их превращение в цветные картинки — результат долгой работы, которую проводят специалисты уже на Земле. С этой задачей инженеры NASA справились превосходно, однако астрономов интересовали как раз отдельные кадры, снятые в разных фильтрах. С их помощью они попытались вычленить центральную звезду на фоне яркой туманности и измерить распределение энергии в спектре этого объекта.
Объект оказался уверенно виден в двух из шести фильтров WFC3 (линии ионизованных гелия и серы) и более или менее различим еще в трех фильтрах. Незаметен он лишь в самом фиолетовом канале — так называемой запрещенной линии ионизованного кислорода, потому что здесь слишком сильно поглощение света. Поглощение пыли быстро растет с уменьшением длины волны, и если в желтом визуальном диапазоне свет звезды ослаблен примерно в 400 раз, то в фиолетовом — в сотни тысяч, а может, и в миллионы.
Анализ показал, что центральная звездочка имеет температуру около 200 тыс. кельвинов, что позволяет ей излучать в 2 тыс. раз больше энергии, чем Солнце. Энергия улетает, в основном, в жестком ультрафиолетовом диапазоне. В пределах погрешностей оценки светимости белого карлика и туманности сходятся (2 тыс. и 1,6 тыс. светимостей Солнца). Так и должно быть: газ в конечном итоге черпает всю энергию из света звезды, лишь перерабатывая его в другие спектральные диапазоны.
Ученые также оценили возраст и массу белого карлика, вписав модель остывания таких объектов в полученные с помощью «Хаббла» данные. Масса оказалась около 0,64 массы Солнца, а возраст — примерно 2,2 тыс. лет, в превосходном соответствии с возрастом планетарной туманности. Впрочем, насчет возраста Шишка и его коллеги не уверены: если играть одновременно массой и возрастом, можно добиться примерного согласия с данными и при слегка иных параметрах.
Угасание с задержкой
Что особенно приятно, эту работу можно будет надежно проверить в течение ближайших лет. При такой безумной светимости и отсутствии ядерных реакций звезда быстро теряет запасенную в тепле энергию и должна быстро остывать и терять в блеске. По оценкам Шишки, этот спад светимости должен составлять около 0,8−1% в год. Такую величину несложно измерить.
А если повезет, то со временем можно будет даже увидеть, как угасание расползается по планетарной туманности. В конце концов, чтобы добраться до края газового облака, свету требуется около года. Именно с такой задержкой яркость крыльев Жука реагирует на падение блеска его центральной звезды.
Артём Тунцов
