Розуміння катаклізмічних змінних (CV)
Катаклізмічні змінні, або CV, це інтригуючі подвійні зоряні системи, в яких присутній білий карлик у поєднанні зі стандартним зоряним супутником. Як правило, ці системи компактні і мають розміри, порівнянні з відстанню між Землею і Місяцем, з орбітальними циклами тривалістю від одного до десяти годин. У цьому дуеті білий карлик називається “первинною” зіркою, тоді як супутникова зірка відома як “вторинна”. Вторинна зірка, що нагадує наше Сонце, поступово віддає матеріал на білий карлик в процесі, відомому як акреція. Завдяки видатній густині білого карлика, гравітаційна енергія значно трансформується, виробляючи велике випромінювання рентгенівських променів під час акреції. Хоча оцінки свідчать, що в нашій галактиці може бути понад мільйон CV, лише кілька сотень, переважно розташованих поблизу нашої сонячної системи, пройшли детальне рентгенівське дослідження. Це обмежене вивчення пов’язане з тим, як тьмяно виглядають CV в рентгенівських хвилях — тьмяно освітлені в порівнянні з корональними рентгенівськими джерелами і значно слабші за рентгенівські подвійні.
Класичні нови і карликові нови
Ідентифікація CV восходить до середини 19-го століття, коли оптичні астрономи звернули увагу на їх дивовижні спалахи. Класифікація цих систем залежить від природи цих вибухових подій, що призводить до відмінностей між класичними новами і карликовими новами. Класичні нови характеризуються єдиною ерупцією, при цьому матеріал, що викидається, є більш об’ємним, ніж у інших CV. Ці спалахи виникають внаслідок раптового початку ядерного синтезу, що включає матеріал, багатий воднем, який запалюється на поверхні білого карлика. Як залишки зоряної еволюції, подібні до нашого Сонця, синтез в таких білих карликах вимагає введення свіжого пального для ініціювання реакції.
На відміну від цього, спалахи карликових нов викликані тимчасовими сплесками в швидкості акреції на білий карлик, спричиненими додатковими матеріалами, які потрапляють на поверхню зірки. Цей потік повинен подолати бурхливу області, звану “граничним шаром”, розташованим безпосередньо над самим білим карликом. Події карликових нов демонструють нижчу амплітуду і фіксують вищу частоту в порівнянні з їх класичними аналогами. Яскравим прикладом цього класу є U Geminorum, який неофіційно називають “U Gem”, що зазнає коливань яскравості до ста разів приблизно кожні 120 днів, повертаючись до своєї вихідної яскравості через тиждень або два.
Більше того, оптичні астрономи виявили “рецидивні нови”, які демонструють вибухові поведінки, що лежать в спектрі між класичними і карликовими новами. Додатково з’явилася категорія “систем, подібних до нов”, яка охоплює зірки, що мають спектральні подібності з іншими CV у видимому світлі, але залишаються непомітними під час активних ерупцій.
Рентгенівське випромінювання від CV
Цікавою є знахідка деяких рентгенівських джерел, які спочатку були виявлені супутником Ухуру, які виявилися катаклізмічними змінними; подальші спостереження обсерваторії Ейнштейна підтвердили їх як слабкі рентгенівські випромінювачі. Це відкриття відповідало очікуванням, оскільки матеріал, що акречується до білого карлика, може досягати величезних температур, близько 100 мільйонів градусів в околицях поверхні зірки. Як наслідок, рентгенівські дослідження CV окреслюють складні процеси акреції, що відбуваються поблизу первинної зірки.
Більшість CV має диск акреції, що виникає внаслідок передачі кута моменту від вторинної зірки під час подвійного руху. Замість прямого потоку, цей процес призводить до формування диска, розташованого в орбітальній площині. Внутрішнє тертя в диску генерує тепло, спричиняючи спіральний рух матеріалу всередину до поверхні білого карлика. Дослідники вважають, що основне джерело рентгенівських променів в цих системах походить з граничного шару, де швидкість газу узгоджується з обертанням білого карлика.
Цікаво, що багато рентгенівських випромінюючих CV характеризуються своїми магнітними компонентами білих карликів — деякі мають магнітні поля, що в 100 мільйонів разів перевищують магнітне поле Землі. Оскільки акреційний матеріал іонізований, магнітне поле має реально вплив на динаміку потоку. В результаті геометрія акреції в цих магнітних CV значно відрізняється від їх немагнітних аналогів. У таких випадках звичайний акреційний диск або урізаний, або зовсім відсутній, що призводить до вертикальної акреції уздовж магнітних ліній поля, що викликає посилені шоки та підвищене рентгенівське випромінювання в порівнянні з акрецією, заснованою на диску. Ідентифікація цих магнітних CV значною мірою спиралася на спостереження їх рентгенівських випромінювань протягом останніх трьох десятиліть.
У певних випадках ядерний синтез може виникати як основне джерело енергії в CV, перевершуючи процес акреції. Це було продемонстровано в явищі класичної нови, обговореному раніше. Більш того, рентгенівські астрономи визначили унікальну класифікацію, яку називають “супер-м’які” рентгенівські джерела (або SSS). Назва підкреслює відмінну природу цих систем, що характеризуються їх переважним вивільненням енергії в низькоенергетичних фотонах (з енергією близько 0.5 кеВ). Оптичні спектри показують, що ці SSS демонструють риси, схожі на CV, виникаючи з гарячої зоряної поверхні з температурами від 200,000 до 800,000 K і зазнаючи екстремальних гравітаційних сил (приблизно 1,000,000 м/с²). Таке виняткове тяжіння вказує на білий карлик більшої маси, ніж наше Сонце, що має цікаві наслідки для нашого розуміння зоряної еволюції.
Супернові білого карлика
Хоча частина матеріалу виводиться під час нової події, деяка маса може залишатися, дозволяючи циклу акреції/нови поступово збільшувати масу білого карлика. Це накопичення може в кінцевому підсумку підштовхнути карлика до межі Чандрасекара в 1.4 сонячних мас. Коли білий карлик наближається до цього порогу, зростаючий внутрішній тиск підвищує температури достатньо, щоб ініціювати вуглецевий синтез. Оскільки більшість білих карликів в основному складаються з вуглецю, цей синтез відбувається моментально на масивному масштабі, призводячи до драматичної супернови білого карлика.
