Магнитные поля могут позволить белым карликам превысить предел Чандрасекара в 2,4 раза

Белые карлики — это небольшие, невероятно плотные остатки, которые остаются после того, как звёзды вроде нашего Солнца исчерпывают ядерное топливо и сбрасывают внешние слои. Размером примерно с Землю, эти звёздные ядра могут содержать массу, сравнимую с солнечной. Новое исследование предполагает: некоторые белые карлики могут расти гораздо тяжелее, чем предсказывает фундаментальный предел астрофизики.

Компьютерные симуляции показывают, что мощные внутренние магнитные поля могут позволить этим объектам достигать примерно 2,4 массы Солнца — значительно выше обычного предела около 1,4 солнечной массы. Результаты опубликованы в The Astrophysical Journal Letters. Они предлагают возможное объяснение необычно ярких звёздных взрывов и могут иметь последствия для того, как астрономы измеряют расширение Вселенной. Они также демонстрируют потенциальный эволюционный путь, через который могли бы формироваться такие исключительно массивные звёзды.

Белые карлики образуются, когда звёзды исчерпывают ядерное топливо и теряют внешние слои, оставляя компактные ядра размером обычно с Землю. Несмотря на малые размеры, эти остатки могут содержать значительную долю массы Солнца. Для белых карликов без сильных магнитных полей или быстрого вращения максимальная стабильная масса составляет примерно 1,4 солнечной массы — порог, известный как предел Чандрасекара.

Исследователи из Индийского научного института и их коллеги обнаружили, что сильные магнитные поля могут изменить это ограничение. Когда белый карлик притягивает вещество от звезды-компаньона, его растущая масса заставляет его становиться плотнее и сжиматься. Это сжатие усиливает его внутреннее магнитное поле, создавая дополнительное давление, которое помогает противодействовать гравитации и позволяет звезде поддерживать больше массы, чем предсказывают обычные модели.

Симуляции также предполагают, что магнитные поля могут изменить соотношение между массой и радиусом белого карлика. Этот эффект мог бы помочь объяснить наблюдения некоторых маломассивных белых карликов, которые кажутся больше ожидаемого.

Чтобы исследовать, могут ли такие объекты действительно развиваться через звёздную эволюцию, учёные модифицировали компьютерную программу STARS, разработанную в Кембриджском университете. Они включили эффекты магнитных полей и охлаждения белых карликов, что позволило им проследить звезду от фазы главной последовательности, когда водородный синтез питает её ядро, через превращение в белого карлика. Затем они смоделировали, как остаток будет эволюционировать, накапливая вещество от звезды-компаньона.

В одной симуляции звезда начальной массой восемь солнечных масс произвела углеродно-кислородный белый карлик массой примерно 1,02 солнечной массы. Когда остаток набирал вещество со скоростью 10⁻⁹ солнечной массы в год, его магнитное поле усиливалось достаточно, чтобы поддерживать моделируемый предел массы примерно в 2,4 солнечной массы. При сопоставимых условиях без магнитных эффектов предел оставался около 1,4 солнечной массы.

«Важный вопрос был не просто в том, возможен ли сверхчандрасекаровский белый карлик, а в том, может ли звезда действительно эволюционировать в него, — говорит Зения Зурайк, первый автор исследования и аспирантка кафедры физики. — Наши симуляции позволили нам проследить этот эволюционный путь от звезды главной последовательности до белого карлика и показать, что при определённых условиях такой путь возможен».

Возможность того, что белые карлики превышают предел Чандрасекара, теоретически изучалась десятилетиями. Астрономы также наблюдали необычно яркие сверхновые типа Ia, что поднимало возможность того, что некоторые из них происходят от белых карликов существенно более массивных, чем ожидалось. Предыдущие интерпретации предполагали массы прародителей и возможные верхние пределы, приближающиеся к 2,8 солнечной массы.

Новое исследование опирается на работу, начатую более десяти лет назад. «Идея началась в 2011 году, когда ко мне пришёл летний студент, и я довольно небрежно дал ему задачу: проверить, может ли предел Чандрасекара быть нарушен магнитным полем», — объясняет Банибрата Мукхопадхьяй, профессор кафедры физики и соответствующий автор исследования.

В отличие от расчётов, которые проверяют, может ли необычно массивный белый карлик оставаться стабильным, новые симуляции прослеживают процесс, через который такой остаток мог бы развиться. Результаты поддерживают теоретическую возможность магнитно поддерживаемых белых карликов, хотя они не устанавливают, насколько часто такие объекты встречаются в природе.

Сверхновые типа Ia могут происходить, когда углеродно-кислородные белые карлики претерпевают неконтролируемое термоядерное горение. Когда белый карлик приближается к пределу Чандрасекара, условия в его недрах могут стать достаточно экстремальными, чтобы воспламенить углерод и потенциально вызвать катастрофический взрыв. Астрономы используют сверхновые типа Ia как стандартные свечи для оценки расстояний во Вселенной. Хотя их внутренняя яркость варьируется, соотношения между светимостью и тем, как их свет меняется со временем, позволяют учёным калибровать эти взрывы. Такие измерения сыграли центральную роль в понимании космического расширения. Если некоторые сверхновые типа Ia происходят от необычно массивных, сильно намагниченных белых карликов, различия в их прародителях могут влиять на свойства и яркость их взрывов. Понимание этих эффектов может помочь астрономам интерпретировать исключительно яркие сверхновые и улучшить физические модели, лежащие в основе космических измерений расстояний.

Вопрос, который остаётся: если магнитные поля могут поднять предел массы белого карлика почти вдвое, то сколько ещё «стандартных свечей», по которым мы измеряем Вселенную, на самом деле могут быть не такими стандартными — и не окажется ли, что наши представления о расширении космоса нужно пересматривать?