Астрономы нашли способ засечь «невидимые» гелиевые вспышки звезд

Астрофизики выяснили, что считавшиеся ненаблюдаемыми гелиевые вспышки — взрывоподобное начало термоядерного горения гелия в ядрах звезд небольших масс — все-таки можно увидеть «снаружи». По данным ученых, этот процесс должен сказываться на колебаниях светила и вызывать небольшую переменность в яркости, причем регистрировать ее сможет, например, космический телескоп TESS, пишут ученые в журнале Nature Astronomy.

Звезды светят за счет реакций термоядерного синтеза, при которых ядра легких элементов сливаются с образованием более тяжелых. Основная часть звезд получает энергию из слияний ядер водорода, но когда он заканчивается, могут начаться реакции с более тяжелыми ядрами.

Когда водород выгорает в ядрах звезд с массой примерно от 0,8 до 2 солнечных, то они сходят с главной последовательности и переходят на ветвь красных гигантов. На этом этапе у них образуется пассивное гелиевое ядро, вокруг которого горит слой водорода. Из-за высоких давлений ядро находится в состоянии квантового вырождения и сопротивляется дальнейшему сжатию давлением вырожденных электронов.

По мере горения водорода масса гелиевого ядра и его температура продолжает расти. В конце концов, формируются условия для начала слияний ядер гелия, причем этот процесс происходит взрывообразно, так как давление вырожденного вещества не зависит от температуры. Это явление называют гелиевой вспышкой, а ее существование было предсказано около полувека назад. После основной вспышки, в течение нескольких миллионов лет происходят менее интенсивные субвспышки, которые заканчиваются лишь после снятия вырождения во всем объеме ядра.

Тем не менее, считалось, что непосредственного наблюдательного проявления она не имеет, так как энергия вспышки поглощается вышележащими слоями, а главным последствием остается изменение эволюционного трека.

В работе астрофизиков из Аргентины и Дании под руководством Марсело Миллера-Бертолами (Marcelo Miller Bertolami) из Национального университета Ла-Платы утверждается, что гелиевую вспышку все-таки можно наблюдать. Согласно результатам ученых, выделение большой энергии приводит к возбуждению определенных мод колебания звезды, которые будут проявляться в виде периодических пульсаций яркости.

Звезды испытывают множество пульсаций, которые являются предметом изучения астросейсмологии. Наиболее известны изменения размеров цефеид, но небольшие колебания свойственны большинству звезд. Особо информативно изучение пульсаций в случае подобных Солнцу звезд, так как процессы в их конвективных оболочках приводят к сотрясениям всей поверхности, причем с возбуждением дискретного спектра мод. Обычно у таких светил наблюдают p-моды, в которых возвращающей силой является градиент давлений, но также еще существуют g-моды, в которых роль противодействующей силы играет гравитация.

Авторы провели численные моделирования возбуждаемых гелиевыми субвспышками g-мод в маломассивных звездах — горячих субкарликах спектральных классов sdO и sdB. В таких светилах светимость гелиевых субвспышек может достигать 10 тысяч солнечных, а масса вышележащих слоев, которые гасят возникающие колебания — намного меньше.

Астрофизики пришли к выводу, что такие резкие выделения энергии в ядре могут привести к заметным колебаниям с периодами от сотен до десятков тысяч секунд. Они, в свою очередь, вызовут изменения общей светимости на уровне от 0,001 до 0,01 звездной величины. Такие колебания должны уверенно фиксироваться для ярких субкарликов звездной величины не более 13, а таких известно более сотни. Более того, в случае четырех богатых гелием горячих субкарликов пульсации уже измерены, но их природа остается предметом дебатов. Модель авторов способна предсказать период наблюдаемых у них пульсаций. Наиболее подходящим объектом ученые назвали звезду Feige 46, которая уже была выбрана как цель наблюдений спутника TESS. Подтверждением идеи авторов должно стать обнаружение заметного дрейфа периода пульсаций, то есть изменения его значения со скоростью порядка 10^‑8—10^‑4 секунд в секунду.

Ранее особенности протекания гелиевой вспышки использовали для уточнения скорости расширения Вселенной, колебания звезды помогли обнаружить планету на ее орбите, а методами астросейсмологии ученые планируют разгадать причину быстрого вращения Бетельгейзе.

Тимур Кешелава