Εισαγωγή στα κατακλυσμικά μεταβλητά αστέρια

Ο ήλιος μας, το αστέρι στο κέντρο του ηλιακού συστήματος, είναι αρκετά μοναχικός — το πλησιέστερο αστέρι, ο Εγγύς Κενταύριος, απέχει πάνω από τέσσερα έτη φωτός.

Τα περισσότερα αστέρια στον γαλαξία δεν είναι τα ίδια. Αντίθετα, έως και το 85% των αστεριών βρίσκονται σε δυαδικά συστήματα — ομάδες δύο ή περισσότερων αστεριών που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο στενά.

Αυτά τα δυαδικά συστήματα μπορούν να εμφανιστούν σε μια μεγάλη ποικιλία διαφορετικών συνδυασμών, από συστήματα δύο αστέρων έως συστήματα τετραπλών αστέρων που περιέχουν τέσσερα αστέρια που περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο σε πολύπλοκα μοτίβα κίνησης.

Τα κατακλυσμικά μεταβλητά συστήματα είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα είδη δυαδικών αστεριών. Πρόκειται για δυαδικά συστήματα με δύο στοιχεία — έναν λευκό νάνο και ένα αστέρι δότη που χάνει σταθερά μάζα από τον σύντροφό του.

Τι είναι ένα κατακλυσμικό μεταβλητό αστέρι;

Σε ένα κατακλυσμικό μεταβλητό σύστημα (CV), ένα αστέρι είναι πάντα ένας λευκός νάνος - ένα αστέρι που έχει καταρρεύσει που έχει περίπου την ίδια μάζα του ήλιου στο μέγεθος της Γης. Το άλλο αστέρι είναι γενικά ένας κόκκινος νάνος, όπως ο Ήλιος, αλλά γενικά είναι πιο ψυχρός και με μικρότερη μάζα.

Τα δύο αστέρια είναι κλειδωμένα μαζί σε εξαιρετικά στενή τροχιά, κυκλώνοντας το ένα το άλλο εντελώς κάθε λίγες ώρες. Και τα δύο αστέρια είναι τόσο κοντά μεταξύ τους που τα περισσότερα συστήματα CV καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο από τον ήλιο συνολικά.

Τα αστέρια του συστήματος CV βρίσκονται όλα μακριά από τη Γη. Αυτό, σε συνδυασμό με αυτά τα αστέρια που έχουν μια στενή τροχιά, καθιστούν τις φωτογραφίες των συστημάτων αρκετά ασυναρπαστικές. Γιατί; Και τα δύο αστέρια εμφανίζονται ως ένα ενιαίο φωτεινό σημείο.

Καλλιτεχνικές απεικονίσεις συστημάτων βιογραφικών είναι ευρέως διαθέσιμες στο διαδίκτυο. Αυτά παρουσιάζουν μια καλύτερη εικόνα για το πώς μπορεί να φαίνονται αυτά τα αστέρια από κοντά.

Τα συστήματα βιογραφικών υπάρχουν σε όλο το παρατηρήσιμο σύμπαν και μπορεί να υπάρχουν σε μια ποικιλία διαφορετικών διαμορφώσεων.

Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει περισσότερα από 200 συστήματα CV και ανακαλύπτουν συνεχώς νέα συστήματα CV. Επειδή τα συστήματα βιογραφικών είναι τόσο διαφορετικά, η ανακάλυψη ενός νέου συστήματος μπορεί συχνά να αναδιαμορφώσει την αντίληψη της επιστήμης για τα συστήματα βιογραφικών και τις ιδιότητες που μπορούν να επιδείξουν.

Ο κατακλυσμικός μεταβλητός δίσκος προσαύξησης

Το κόκκινο αστέρι σε ένα σύστημα βιογραφικών σημειώσεων τόσο κοντά στο λευκό αστέρι που παραμορφώνεται παλιρροιακά. Οι βαρυτικές δυνάμεις που ασκούνται στο κόκκινο αστέρι από το λευκό αστέρι προκαλούν την πτώση αερίου από το κόκκινο αστέρι στον λευκό νάνο.

Αυτό το αέριο δεν μπορεί να πέσει απευθείας στο λευκό αστέρι. Λόγω της διατήρησης της γωνιακής ορμής, το αέριο αντ' αυτού σχηματίζεται σε έναν δίσκο, που ονομάζεται δίσκος προσαύξησης, γύρω από τον λευκό νάνο - εφόσον ο λευκός νάνος δεν έχει ισχυρό μαγνητικό πεδίο.

Στα περισσότερα συστήματα CV, ο λευκός νάνος δεν έχει ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Εάν, ωστόσο, ο νάνος έχει ισχυρό μαγνητικό πεδίο, τότε μπορεί να προκύψουν άλλα, ενδιαφέροντα φαινόμενα - αλλά περισσότερα για αυτό παρακάτω.

Το αέριο στον δίσκο προσαύξησης σιγά-σιγά σπειροειδώς προς τα κάτω προς τον λευκό νάνο, μέχρι να χάσει αρκετή βαρυτική δυναμική ενέργεια για να πέσει απευθείας στο αστέρι.

Η ροή των σωματιδίων στον λευκό νάνο είναι ταραχώδης, που σημαίνει ότι τα σωματίδια στο δίσκο συγκρούονται τακτικά μεταξύ τους. Αυτές οι συγκρούσεις δημιουργούν τριβή και θερμότητα, η οποία κάνει τον δίσκο να λάμπει πιο φωτεινά.

Η τριβή επιταχύνει επίσης την κίνηση των σωματιδίων στον λευκό νάνο, δημιουργώντας πρόσθετη τριβή και ενέργεια που, με τη σειρά του, κάνει τον δίσκο να γίνεται θερμότερος και φωτεινότερος.

Ως αποτέλεσμα, οι δίσκοι προσαύξησης CV είναι εξαιρετικά φωτεινοί και ενεργητικοί, που σημαίνει ότι συνήθως ξεπερνούν και τα δύο αστέρια στο σύστημα CV.

Διαφορετικοί τύποι κατακλυσμικών μεταβλητών συστημάτων

Τα συστήματα βιογραφικών με δίσκους προσαύξησης διατίθενται σε διάφορες μορφές.

Novae

Τα πρώτα συστήματα βιογραφικών που ανακαλύφθηκαν ήταν τα novae. Αρχικά ονομαζόταν novae stella ("νέα αστέρια"), αυτά τα συστήματα παρουσιάζουν ακραίες διακυμάνσεις στη φωτεινότητά τους, που τράβηξαν την προσοχή των αστρονόμων.

Τα συστήματα Nova έχουν εκρήξεις που μπορούν να αυξήσουν τη φωτεινότητά τους κατά 6 έως 19 μεγέθη — που σημαίνει ότι γίνονται 100 έως 15 εκατομμύρια φορές φωτεινότερα. Αυτές οι εκρήξεις προκαλούνται από τις θερμοπυρηνικές εκρήξεις που δημιουργούνται από το υλικό του δίσκου συσσώρευσης στην επιφάνεια του λευκού νάνου.

Οι περισσότεροι γνωστοί νέοι είχαν μόνο ένα ξέσπασμα nova, αλλά μερικοί είναι επαναλαμβανόμενοι νέοι που είχαν πολλαπλές εκρήξεις.

Dwarf Novae

Οι νάνοι νέοι είναι παρόμοιοι με τους τυπικούς νέους, αλλά οι εκρήξεις τους είναι πολύ πιο συχνές και πολύ λιγότερο έντονες — αυξάνοντας τη φωτεινότητα του συστήματος CV κατά μόλις 6 έως 100 φορές. Ωστόσο, αυτά τα ξεσπάσματα συμβαίνουν πολύ πιο συχνά από αυτά που παρατηρούνται σε μη νάνους νέους.

Γενικά, όσο πιο συχνά ένας νέος νάνος υφίσταται εκρήξεις, τόσο λιγότερο έντονες θα είναι. Ορισμένοι νέοι νάνοι έχουν εξάρσεις τόσο συχνά όσο κάθε δύο ημέρες — ενώ άλλοι μπορεί να εμφανίσουν ένα ξέσπασμα παρόμοιο σε μέγεθος με ένα ξέσπασμα νέων κάθε τριάντα χρόνια.

Μεταβλητές τύπου Nova

Αυτά τα συστήματα είναι παρόμοια με τους νάνους νέους, αλλά δεν υφίστανται εκρήξεις. Ως αποτέλεσμα, η φωτεινότητά τους είναι πολύ συνεπής, γενικά διαφέρει ελάχιστα από τα μέσα επίπεδα.

Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι αυτά τα συστήματα δεν αντιμετωπίζουν εκρήξεις, επειδή η μεταφορά μάζας μέσω του δίσκου προσαύξησης γίνεται με ένα ως επί το πλείστον σταθερό ρυθμό. Αυτός ο ρυθμός μεταφοράς είναι, ωστόσο, υψηλός σε σύγκριση με άλλα συστήματα CV — που σημαίνει ότι ο δίσκος προσαύξησης που προκύπτει είναι πολύ φωτεινός.

Η SW Sextantis πρωταγωνιστεί

Οι μεταβλητές με τον υψηλότερο ρυθμό μεταφοράς δίσκου προσαύξησης, τα αστέρια SW Sextantis εμφανίζουν πολλές ασυνήθιστες ιδιότητες. Για παράδειγμα, αυτά τα αστέρια είναι συστήματα αιχμής. Λόγω του προσανατολισμού τους στο χώρο, τα βλέπουμε από το πλάι.

Σε ένα κανονικό σύστημα CV, μπορείτε να δείτε γραμμές εκπομπής διπλής αιχμής. Αυτό συμβαίνει επειδή το αέριο στο ένα μισό του δίσκου κινείται προς το μέρος σας, με αποτέλεσμα να μετατοπιστεί μπλε, ενώ ένα άλλο απομακρύνεται από εσάς, προκαλώντας μετατόπιση του κόκκινου. Ωστόσο, τα αστέρια SW Sextantis εμφανίζουν γραμμές εκπομπών μονής κορυφής.

Μαγνητικά βιογραφικά

Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο λευκός νάνος σε ένα κατακλυσμικό μεταβλητό σύστημα έχει ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Αυτό το πεδίο διαταράσσει την ιονισμένη ύλη που κανονικά θα σχημάτιζε τον δίσκο προσαύξησης. Επειδή η ύλη είναι ιονισμένη, δεν μπορεί να διασχίσει τις γραμμές βαρυτικού πεδίου και, αντίθετα, αναγκάζεται να περιστρέφεται γύρω από αυτές.

Ως αποτέλεσμα, το αέριο από το άστρο δότη περνάει πάνω στις γραμμές του βαρυτικού πεδίου του λευκού νάνου. Στη συνέχεια, ρέει απευθείας προς τους μαγνητικούς πόλους του νάνου.

Οι μικρές περιοχές προσαύξησης που δημιουργούνται στους πόλους του λευκού νάνου δεν είναι τόσο μεγάλες ή φωτεινές όσο ο τυπικός δίσκος προσαύξησης, αλλά μπορούν ακόμα να δημιουργήσουν ένα μεγάλο μέρος του συνολικού φωτός του συστήματος CV.

Αυτές οι περιοχές συσσώρευσης δημιουργούν επίσης σημαντικές εκπομπές ακτίνων Χ. Οι δορυφόροι ακτίνων Χ μπορούν να ανιχνεύσουν αυτές τις εκπομπές — επιτρέποντας στους επιστήμονες να εντοπίσουν νέα μαγνητικά συστήματα CV.

Τύποι μαγνητικών βιογραφικών σημείων

Σε ορισμένα μαγνητικά συστήματα CV, που ονομάζονται πολικά συστήματα, το μαγνητικό πεδίο του λευκού νάνου είναι τόσο ισχυρό που δεν μπορεί να σχηματιστεί δίσκος προσαύξησης. Τα πολικά συστήματα επιτρέπουν στους επιστήμονες να παρατηρούν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ πλάσματος υψηλής πυκνότητας και εξαιρετικά ισχυρών μαγνητικών πεδίων.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των συστημάτων είναι ότι το φως που παράγουν είναι τόσο γραμμικά όσο και κυκλικά πολωμένο. Έτσι παίρνουν το όνομά τους «πολικά συστήματα», καθώς το φως που παράγεται είναι διαφορετικό από το φυσικό φως.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι λευκοί νάνοι στα ενδιάμεσα πολικά συστήματα μπορεί να έχουν ασθενέστερα μαγνητικά πεδία από τους λευκούς νάνους στα παραδοσιακά πολικά συστήματα CV.

Τα ασθενέστερα μαγνητικά πεδία επιτρέπουν τη δημιουργία ενός δίσκου προσαύξησης, σε αντίθεση με τα πολικά συστήματα. Ωστόσο, το μαγνητικό πεδίο του λευκού νάνου εξακολουθεί να διακόπτει το δίσκο, δημιουργώντας ένα κενό μεταξύ της εσωτερικής άκρης του δίσκου και του λευκού νάνου.

Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι οι ενδιάμεσοι πολικοί μπορεί τελικά να εξελιχθούν σε πολικούς καθώς ο δότης συρρικνώνεται και η απόσταση μεταξύ των δύο αστεριών γίνεται μικρότερη. Με την πάροδο του χρόνου, καθώς τα αστέρια πλησιάζουν, ο δίσκος προσαύξησης μπορεί να μειωθεί σε μέγεθος μέχρι να εξαφανιστεί.

Τι μπορούμε να μάθουμε για τις κατακλυσμικές μεταβλητές

Οι κατακλυσμικές μεταβλητές είναι μια εξαιρετικά ποικιλόμορφη ομάδα δυαδικών συστημάτων αστέρων. Αναγνωρίζονται άμεσα από τον συνδυασμό τους ενός κόκκινου νάνου, ενός λευκού νάνου και (συνήθως) ενός φωτεινού δίσκου προσαύξησης.

Όλα τα συστήματα περιλαμβάνουν ένα αστέρι δότη και έναν λευκό νάνο, αλλά οι ιδιαιτερότητες του συστήματος μπορεί να διαφέρουν σημαντικά. Τα βιογραφικά στα οποία ο λευκός νάνος έχει ισχυρό μαγνητικό πεδίο μπορεί να έχουν εξαιρετικά ασυνήθιστες ιδιότητες.

Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν επίσης νέα βιογραφικά συνεχώς. Οι επιστήμονες έχουν ήδη εντοπίσει αρκετούς τύπους βιογραφικών σημειωμάτων που έχουν ήδη αναγνωριστεί — συμπεριλαμβανομένων των νέων, των νάνων καινοφανών και των πολικών συστημάτων. Η ανακάλυψη επιπλέον βιογραφικών μπορεί να ωθήσει τους επιστήμονες να δημιουργήσουν νέες κατηγορίες βιογραφικών.