Двойные звезды-карлики: новые ключи к поиску жизни во Вселенной

Холодные красные карлики, самые распространенные звезды в нашей Галактике, продолжают преподносить астрономам сюрпризы. Новое исследование, проведенное с помощью высокоточного спектрографа HPF, раскрыло подробности строения трех двойных систем с такими звездами, приближая нас к пониманию их истинной природы и перспектив для обитаемости окружающих их планет.

Несмотря на то что М-карлики (красные карлики) составляют до 75% звезд в окрестностях Солнца, они остаются наименее изученными из-за своего тусклого свечения и сложной физики. Особенно ценны для науки двойные системы, где звезды обращаются вокруг общего центра масс. Их динамика позволяет напрямую, с минимальным вмешательством теоретических моделей, измерить самые фундаментальные параметры — массы звезд. Именно массой определяется вся жизнь светила: его температура, срок существования и характер излучения. Между тем, современные модели звездной эволюции для маломассивных объектов часто расходятся с реальными наблюдениями. Новое исследование, результаты которого опубликованы на arXiv.org, направлено на то, чтобы заполнить этот пробел, превратив три двойные системы с М-карликами в новые «эталонные» объекты для проверки теорий.

Динамическая спектроскопия: как «взвесить» невидимую звезду

Основным инструментом исследования стал спектрограф Habitable-zone Planet Finder (HPF), установленный на телескопе Хобби-Эберли в Техасе. Этот прибор, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне, был специально создан для поиска планет у холодных звезд. Он способен улавливать минимальные колебания в излучении звезды, вызванные гравитационным влиянием соседа — будь то вторая звезда или планета.

Суть метода динамической спектроскопии заключается в точном измерении радиальных скоростей звезд — скорости их движения по лучу зрения. Когда две звезды вращаются вокруг общего центра масс, они попеременно то приближаются к нам (их спектр смещается в синюю область), то удаляются (смещение в красную область). Анализируя этот «танец», астрономы могут восстановить полную картину орбиты и вычислить массу.

Двойные спектроскопические системы: если в телескоп видны спектральные линии обеих звезд, это позволяет напрямую определить соотношение их масс и другие параметры. Такие системы наиболее ценны.
Одиночные спектроскопические системы: если одна из звезд слишком тусклая, в спектре видны линии только более яркого компонента. В этом случае для определения масс требуется дополнительная информация, например, наклонение орбиты, которое часто остается неизвестным.

В данной работе ученые собрали десятки спектров для каждой из трех систем на протяжении нескольких лет, чтобы с высокой точностью отследить их орбитальное движение.

Портреты звездных пар: от сверхлегких карликов до долгожителей

Исследование детально описывает три уникальные двойные системы, каждая из которых представляет особый интерес.

LSPM J0515+5911: ультрахолодные близнецы

Эта система оказалась редким случаем двойного спектроскопического бинарника с двумя очень легкими компонентами. Ее параметры поражают:

Период обращения: всего 127 дней — по меркам звездных пар это довольно тесная система.
Минимальные массы: Первичная звезда имеет массу не менее 0.058 масс Солнца, а вторичная — всего 0.046 масс Солнца. Это ставит обе звезды на грань между самыми легкими красными карликами и коричневыми карликами — «неудавшимися» звездами, в недрах которых не идут полноценные термоядерные реакции.
Особенность: Наклонение орбиты системы неизвестно, поэтому приведенные массы являются лишь минимальной оценкой. Истинные массы могут быть больше. Астрономы использовали данные фотометрии и построили модель спектрального энергетического распределения (СЭР), чтобы оценить светимость и эффективные температуры компонентов. Результаты подтвердили, что это действительно одни из самых холодных и легких звезд, для которых удалось получить прямые динамические измерения масс.

NLTT 43564 и NLTT 45468: типичные, но не простые

Эти две системы были классифицированы как одиночные спектроскопические бинарники. В их спектрах видны линии только от более яркого компонента.

NLTT 43564 — система с очень долгим периодом обращения, около 1877 дней (более 5 лет). Масса первичной звезды оценена в 0.32 массы Солнца. Интересно, что данные космического телескопа Gaia показывают аномально высокий параметр RUWE (показатель надежности астрометрических данных), что косвенно подтверждает наличие невидимого массивного спутника, гравитационно влияющего на движение звезды.
NLTT 45468 — система с коротким периодом около 9.7 дней. Масса первичного компонента составила 0.35 масс Солнца. Для этой системы ученые провели дополнительную проверку с помощью высококонтрастной спекл-интерферометрии на инструментах NESSI и ‘Alopeke, чтобы исключить возможность того, что обнаруженный сигнал вызван не второй звездой, а фоновым объектом. Никаких посторонних источников света обнаружено не было.

Для обеих систем были построены детальные орбиты и проведен анализ с привлечением данных фотометрических обзоров (Pan-STARRS, APASS, 2MASS) для лучшего определения физических свойств видимых звезд.

Почему это важно: от звездных моделей до обитаемых миров

Уточнение параметров двойных систем с М-карликами имеет фундаментальное значение для астрофизики и поиска жизни.

Исправление звездных моделей. Масса — краеугольный камень любой модели звездной эволюции. Точные измерения масс для разных типов М-карликов позволяют «откалибровать» теоретические предсказания о их размерах, температуре и светимости. Особенно важны данные для самых легких и холодных звезд, подобных компонентам LSPM J0515+5911, где расхождения между моделями и наблюдениями наиболее значительны.

Фундамент для поиска экзопланет. Красные карлики — главные цели в охоте за потенциально обитаемыми мирами. Их зона обитаемости (регион, где на поверхности планеты может существовать жидкая вода) расположена очень близко к звезде. Это облегчает обнаружение планет транзитным методом (когда планета затмевает часть диска звезды) и методом лучевых скоростей (по «покачиванию» звезды под действием гравитации планеты). Однако чтобы точно определить параметры планеты — ее размер, массу и равновесную температуру — необходимо безупречно знать параметры родительской звезды. Исследование двойных систем напрямую способствует повышению точности этих данных.

Понимание звездного населения Галактики. Поскольку М-карлики составляют большинство, их двойственность (какая доля из них существует в парах) и свойства напрямую влияют на наше понимание звездообразования и динамической эволюции Млечного Пути.

Взгляд в будущее: что дальше?

Работа с тремя системами — это лишь начало масштабной программы по мониторингу двойных М-карликов с помощью HPF. Авторы отмечают, что ни одна из изученных систем не является затменной, то есть звезды не проходят друг перед другом с нашей точки зрения. Это ограничивает возможность определить точный наклон орбиты и, следовательно, получить абсолютные значения масс. Однако продолжающиеся наблюдения и комбинация данных с другими методами (например, интерферометрия) помогут преодолеть это ограничение.

Будущие инструменты, такие как спектрографы на гигантских телескопах (ELT, TMT) и космическая обсерватория Habitable Worlds Observatory, продолжат эту работу. Они позволят не только находить и взвешивать звезды в таких системах, но и напрямую изучать атмосферы планет, вращающихся вокруг них.

Исследование трех двойных систем — LSPM J0515+5911, NLTT 43564 и NLTT 45468 — наглядно демонстрирует, как сложные методы современной астрофизики позволяют превратить слабые точки света в далеком космосе в источник точных фундаментальных знаний. Каждая такая система служит природной лабораторией, где проверяются наши теории о рождении, жизни и смерти самых распространенных звезд во Вселенной. А понимание звезд — это первый и самый важный шаг на пути к ответу на вопрос, одиноки ли мы в Галактике.