Алтайський школяр і його зірка

У журналі «Змінні Зірки» (номер 2 за 2018 рік) опублікована стаття, першим автором якої є десятикласник з Рубцовська Данило Панов. Учень ліцею «Ерудит» відкрив досить незвичайний об'єкт - катаклізмічну змінну в сузір'ї Стрільця. Співавтор і науковий керівник школяра, співробітник ДАІШ МДУ Денис Денисенко на прохання розповів про те, як було зроблено відкриття і чим цікава зірка Dan V1.

Астрономія наших днів разюче відрізняється від свого стану в кінці XX - початку XXI століття, стрімко перетворюючись на астроінформатику. Всього якихось двадцять років тому зйомка неба велася на фотопластинки, які вимагали тривалих експозицій і подальшого прояву. Можливість відкривати нові об'єкти була у обраної групи професійних астрономів, що мають доступ до солідних телескопів.

В результаті цифрової революції початку 2000-х років в астрономії стали масово застосовуватися напівпровідникові детектори (ПЗС-матриці), які на порядок чутливіше фотопластинок. Самі телескопи стали численнішими, поворотливішими і доступнішими. З'явилися сайти, що надають доступ до автоматизованих телескопів у різних півкулях Землі.

Тепер немає необхідності летіти за тисячі кілометрів, підніматися в гори і сидіти ночі напроліт у телескопа, візуально гідуючи протягом годинної експозиції. Можна замовити серію знімків будь-якої ділянки неба через інтернет, потім завантажити файли на домашній комп'ютер і шукати на них нові об'єкти: рухомі (астероїди і комети) або нерухомі (що спалахують Нові, наднові і змінюють свій блиск змінні зірки). Тепер відкрити свою зірку може кожен, у кого є доступ в інтернет, навіть школяр.

Десятикласник з Рубцовська Данило Панов зробив своє відкриття в серпні 2017 року на знімках з телескопа мережі iTelescope.Net в Австралії, перебуваючи в літньому таборі МДУ «ЛАНАТ-Сибір» (табір був організований за підтримки Фонду Андрія Мельниченка та Сибірської генеруючої компанії). Для зйомки на телескопі була обрана область неба в сузір'ї Стрільця, яку ми вже знімали роком раніше. У рамках літньої школи ЛАНАТ-2016 проходив пілотний проект «Відкриття за тиждень» Фонду підтримки освіти «Ноосфера». Тоді на знімках 8 серпня 2016 року були відкриті затмінна карликова нова DDE 47, дві змінні зірки Anoshin 1 і Lanin 1 і астероїд DWAW001, а також ототожнена «втрачена» змінна зірка NSV 11918. Ми вирішили, що такий багатий на відкриття майданчик повинен «вистрілити» знову. І не помилилися.

Взагалі кажучи, процес пошуку нових астрономічних об'єктів досить простий і не вимагає якихось спеціальних знань. Крім комп'ютерної програми для перегляду знімків потрібні тільки увага, зорке око, багато терпіння і трохи везіння. У будь-якому астрономічному відкритті завжди присутній елемент удачі.

Безумовно, Данілу пощастило відкрити незвичайну зірку на тій ділянці неба, де вже шукали до нього. «Його» зірка гасне приблизно на 10 хвилин кожні дві з чвертю години. У серпні 2016 року ми знімали цей майданчик протягом години з чвертю, але зірка ніяк не проявила себе. А в серпні 2017 року було отримано всього 12 знімків протягом п'ятнадцяти хвилин, і на перших же трьох знімках зірка погасла. Можна сказати, що ми подивилися в потрібне місце в потрібний час. Багато хлопців відкривали змінні зірки до Данила, в тому числі і в таборі ЛАНАТ, але саме зірка Dan V1 стала приводом для публікації статті в науковому журналі.

Чим же так незвичайний цей об'єкт? Щоб відповісти на це питання, потрібно зробити екскурс у світ змінних зірок. Цим терміном називають зірки, які змінюють свій блиск (видиму яскравість, або зоряну величину) або через якісь зовнішні причини, або внаслідок фізичних процесів, що відбуваються в самій зірці або на її поверхні. Строго кажучи, всі зірки є тією чи іншою мірою змінними (включаючи навіть наше Сонце), але вся справа в амплітуді змін блиску. Переважна більшість зірок змінює свою яскравість на частки відсотка, і це залишається непомітним для наземних телескопів і обсерваторій. Такі зірки «живуть» спокійним і стабільним життям протягом тисяч і мільйонів років.

Набагато цікавіше зірки, які істотно змінюють свою яскравість на масштабах, доступних астрономічним спостереженням. При цьому причини змін блиску можуть бути різними. Астрономи виділяють п'ять основних класів змінних зірок: затмінні (викликані не фізичними причинами, а геометричною конфігурацією зірок у подвійній або кратній системі), пульсуючі, п'ятні (обертаються навколо своєї осі), спалахуючі і катаклізмічні (взаємодіючі тісні подвійні системи). Деякі змінні зірки можуть відноситися одночасно до кількох класів - наприклад, якщо в подвійній системі білий карлик пульсує, на червоному карлику є плями і наш промінь зору лежить в площині орбіти, така зірка буде і затмінною, і пульсуючою, і п'ятенною, і спалахуючою, і катаклізмічною.

Сам факт існування тісних подвійних систем вражає уяву. Два об'єкти із загальною масою як у нашого Сонця поводяться один навколо одного на відстані, приблизно рівній радіусу місячної орбіти. Тільки, на відміну від Місяця, один оборот відбувається не за місяць, а за пару годин! Швидкість руху червоного карлика навколо гарячого компонента розміром з Землю становить сотні кілометрів на секунду. При цьому частина речовини холодної зірки забирається в бік білого карлика, зазвичай (але не завжди!) утворюючи навколо нього акреційний диск. Процес акреції відбувається нестійко і час від часу супроводжується катаклізмами. Звідси і назва цього сімейства зірок - катаклізмічні подвійні системи.

У цей клас входять різноманітні типи змінних: карликові і класичні нові з нерегулярними спалахами, «анти-нові» з раптовими тривалими падіннями блиску, поляри без диска, але з найпотужнішим магнітним полем, і ультракомпактні подвійні системи з двома білими карликами. Мінімальний відомий період дорівнює 321 секунді.

Катаклізмічні подвійні системи вважаються «королевами» змінності. По-перше, серед них трапляються зірки з рекордно високою амплітудою змін блиску. По-друге, ці зірки мають найкоротші періоди. По-третє, їхня поведінка змінюється на коротких інтервалах часу (дні і години). І нарешті, катаклізмічні змінні можуть спалахувати як Нові і наднові. Ці подвійні системи є попередницями наднових типу Ia, які служать «стандартними свічками» астрофізики. Якщо білий карлик «вкраде» достатньо речовини у своєї сусідки і його маса перевищить межу Чандрасекара, відбудеться спалах SN Ia. Можливо, наступна наднова в нашій Галактиці вибухне у відомій подвійній системі з білим карликом. У тому числі і з цієї причини їх так важливо шукати і вивчати.

Чим більше телескопів спостерігають небо, тим більше нових змінних зірок відкривають астрономи. Зараз зміна блиску відкрита приблизно у 500 тисяч зірок, при цьому в зоряних каталогах міститься понад один мільярд зірок. Більшість відомих змінних складають пульсуючі і затмінні зірки. У групу катаклізмічних входять всього п'ять тисяч об'єктів, тобто всього один відсоток відомих змінних. Це подвійні системи з білим карликом і холодним компонентом. Серед цих п'яти тисяч є обрана група зірок, які відрізняються своїм орбітальним періодом. Всього 55 зірок (один відсоток від одного відсотка!) потрапляють у так званий «провал періодів» між 2,2 і 2,8 години. Саме такий об'єкт відкрив Данило Панов.

Перефразовуючи Джорджа Орвелла, «всі зірки змінні, але деякі зірки більш змінні, ніж інші». Логічно, що серед сотень тисяч об'єктів, що змінюють свій блиск, є як рядові, так і більш цінні для науки. Перші в масі своїй мало чим відрізняються один від одного, і після відкриття про них часто забувають. Таких зірок більшість. Серед «більш змінних» зірок є астрофізично важливі об'єкти, які становлять цінність для науки.

Взаємодіючі подвійні системи важливі тим, що їх спостереження допомагають нам зрозуміти процеси еволюції зірок, що відбуваються в нашій Галактиці і у Всесвіті в цілому. А подвійні системи з затемненнями, до яких відноситься Dan V1, є відмінними «фізичними лабораторіями», які дозволяють виміряти розміри, температури і маси зірок, що входять в них. Знаючи орбітальний період і швидкості обігу компонентів один навколо одного, ми можемо визначити масу білого і червоного карликів, що входять у подвійну систему. А якщо в системі спостерігаються затемнення гарячого компонента холодним, за тривалістю і формою затемнення можна виміряти розмір обох зірок.

Катаклізмічні змінні дивні тим, що їхня еволюція проходить у кілька етапів. З того моменту, коли більш важкий компонент перетворюється на білого карлика і починає перетягувати речовину свого холодного сусіда, орбітальний період спочатку скорочується. Поки період подвійної системи становить більше трьох годин, в ній працюють відразу два механізми втрати орбітального моменту: потік зоряного вітру в магнітному полі і випромінювання гравітаційних хвиль.

Коли значення періоду скорочується до трьох годин, магнітний зоряний вітер «вимикається». Залишаються тільки втрати за рахунок гравітаційних хвиль, ефективність яких при таких періодах дуже мала. При цьому взаємодія компонентів практично припиняється і відновлюється лише при наближенні орбітального періоду до двох годин. Саме тому розподіл катаклізмічних змінних за періодами має двогорбий вигляд з провалом між двома і трьома годинами, а в інтервал від 2,2 до 2,8 години потрапляє і зовсім один відсоток відомих подвійних систем з білим карликом. Змінна зірка Dan V1 має період 2,26 години і є всього лише однією з п'ятнадцяти затмінних катаклізмічних змінних у провалі періодів.

З відкриттям нової змінної зірки її життя тільки починається. Публікація статті в журналі - далеко не останній крок у долі зірки Dan V1. Це лише повідомлення про відкриття, яке було зроблено на телескопі з діаметром головного дзеркала 51 сантиметр (20 дюймів). Для вивчення зірки тепер потрібні спостереження на більш великих телескопах. У світі існує ціла спільнота дослідників катаклізмічних змінних. Проводяться спеціалізовані міжнародні конференції, присвячені цим об'єктам.

Оскільки зірка Данила Панова розташована в сузір'ї Стрільця, її найкраще спостерігати з південної півкулі. У Південній Африці і в Чилі є фахівці з тісних подвійних систем, які напевно зацікавляться незвичайним новим об'єктом. Оскільки зірка знаходиться поблизу нижньої межі провалу періодів, її еволюція повинна почати прискорюватися. Можливо, майбутні спостереження покажуть скорочення періоду і дозволять безпосередньо виміряти його темп. Залишається побажати змінній зірці Dan V1 цікавої долі, а її першовідкривачеві Данилу Панову подальших успіхів у заняттях наукою!