Астрономы обнаружили звезду — белый карлик с необычным составом для такого класса звёзд. Её атмосфера почти полностью состоит из кислорода, а сама она перемещается по Галактике с необычно высокой скоростью. Предполагается, что звезда частично прошла стадию взрыва сверхновой, и была выброшена взрывом из своей орбиты в двойной звёздной системе.
Звезда-белый карлик с сокращённым обозначением SDSS J1240+6710 была открыта в 2015 году. Цифры здесь — небесные координаты: звезда находится в северном созвездии Дракона на расстоянии около 1000 световых лет. Обозначение SDSS указывает на проект Sloan Digital Sky Survey — известный мультиспектральный обзор неба оптического телескопа обсерватории Апачи-Пойнт в Нью-Мексико. Звезда стала одной из 6,5 тысяч белых карликов и субкарликов, обнаруженных по материалам 12-го выпуска данных SDSS (Data Release 12).
Исследователи обратили внимание на её странный состав: спектр звезды указывает на то, что в её атмосфере преобладает кислород с примесями неона, магния и кремния, но нет обычных в таких спектрах остатков гелия и водорода. Это показалось настолько примечательным, что сообщение о необычных свойствах звезды было опубликовано отдельно в 2016 году в журнале Science (см. также популярный обзор открытия в этом же номере Science). Звезда выделялась на фоне примерно 32 тысяч известных к этому времени звёзд класса белых карликов.
Белый карлик — это завершающая стадия эволюции большинства звёзд умеренных размеров (с массами, сопоставимыми с солнечной или в несколько раз больше). Это небольшие объекты размером с Землю, но с высокой температурой и плотностью, сложенные остатками материала ядра звезды. Насколько мы знаем, белые карлики должны в основном иметь в составе гелий, углерод или кислород. Из-за высокой плотности в таких объектах происходит гравитационная стратификация. Тяжёлые элементы углерод и кислород скапливаются в ядре, остаточные количества несгоревших лёгких элементов — водорода и гелия, то есть топлива звезды в её «звёздной» фазе, просачиваются на её поверхность и затрудняют исследование её состава. Поэтому в наблюдаемой атмосфере 80% из открытых белых карликов доминирует водород, в оставшихся — гелий, а все более тяжёлые элементы находятся в следовых концентрациях, их обнаруживают даже меньше, чем наблюдается в составе Солнца.
В звезде SDSS J124043.01+671034.68, которой первооткрыватели дали неформальное имя Dox (наверное, от Dwarf + Oxygen) внешние слои из лёгких элементов оказались снятыми, поэтому на спектрах выявили почти чистый кислород. Несколько теорий звёздной эволюции предсказывали такой тип белых карликов, в частности, взаимодействие с массивной звездой в парной системе, которая лишила её оболочки. Но эта звезда оказалась первым таким наблюдаемым объектом.
Кислород, неон и магний получаются в небольшом количестве подобных звёзд в термоядерных реакциях сжигания углерода. Однако это должно происходить в более массивных звёздах, чем эта. Ещё более странным было обнаружение в составе звезды кремния. Это может означать, что сжигание ядерного топлива перешло в следующую стадию, когда топливом выступает уже кислород. В этом случае звезда должна бы стать в конечной фазе нейтронной звездой — а это другая ветка эволюции по сравнению с белыми карликами, характерная для ещё более массивных звёзд. В то же время звезда, по первоначальным оценкам, обладала массой типичного белого карлика.
Исследование, опубликованное 14 июля 2020 года в статье в MNRAS (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), предлагает возможный ответ на эту загадку. Спектр звезды теперь целенаправленно исследовали при помощи наземного телескопа WHT и космического Hubble. Звезда расположена вблизи Северного полюса мира, поэтому находится в секторе постоянного обзора космического телескопа, и её можно изучать непрерывно на протяжении полного его оборота по орбите. К данным по спектроскопии в следующие несколько лет после открытия добавились новые астрометрические данные обзора Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), которые позволили определить скорость относительно окружения и другие параметры звезды.
Новые результаты спектрометрии позволили обнаружить в атмосфере звезды другие тяжёлые элементы, указывающие на продолжение термоядерных реакций за пределами стадии угасающего белого карлика. Однако в звезде отсутствуют элементы «группы железа» — железо, никель, хром и марганец. Эти более тяжёлые элементы образуются в термоядерных реакциях из лёгких и характерны для сверхновых типа Ia, или «термоядерных сверхновых» — особого класса сверхновых, которые получаются в результате взрыва белого карлика. Такие взрывы «остывающей» звезды случаются, если, например, белый карлик составляет пару с некоторой массивной звездой, типично — расширяющимся красным гигантом, и перетягивает на себя её материал. В этом случае аккреция материала от звезды-компаньона может дать достаточно энергии, чтобы снова зажечь звезду, только теперь в качестве термоядерного топлива уже будут выступать тяжёлые элементы — углерод, кислород и др., которые будут, сгорая, производить более тяжёлые. Отсутствие группы железа в звезде подсказывает, что она, возможно, вступила в стадию такого типа сверхновой, но эта стадия закончилась или прервалась раньше времени, так что имеет место случай «частичной сверхновой» (partial supernova).
Данные космического обзора Gaia DR2 позволили сделать заключение о собственном движении и массе звезды. Звезда движется со скоростью 250 км/с, но в противоположном направлении по отношению к движению вещества в Галактике и, скорее всего, у неё нет пары. В то же время масса белого карлика оказалась равной всего 0,4 массы Солнца. В целом наблюдается необычное сочетание всех свойств звезды: странный состав атмосферы, низкая масса, необычная для белых карликов, в которых могла бы начаться термоядерная реакция горения элементов типа кислорода (стадия сверхновой) — и аномально высокая скорость, да ещё и в ретроградном направлении. Правдоподобное объяснение такому поведению — это начавшаяся термоядерная реакция сверхновой Ia в близкой двойной системе, за которой последовал взрыв. В результате звезда сбросила большую часть массы и оторвалась от пары — звёзды могли разлететься в разные стороны, или же звезда-компаньон могла быть разрушена взрывом. Топливо для взрывной реакции при этом закончилось, не успев довести звезду до «классической» сверхновой Ia. Звезда SDSS J1240+6710, таким образом — новый тип объекта, оставшегося после взрыва «термоядерной сверхновой», а его необычные свойства — мало изученное проявление эволюции двойной звёздной системы в конце её жизненного цикла.
