Przez dziesięciolecia system AE Aquarii był jedynym znanym układem kataklizmicznym – polarem pośrednim, w którym szybko rotujący biały karzeł pełni funkcję wiatraka ze śmigłem tworzonym przez silne pole magnetyczne białego karła wymiatającego poza układ całą materię opadającą ze składnika wtórnego. W roku 2020 został zidentyfikowany podobny układ podwójny oznaczony jako J0240 (pełne oznaczenie: LAMOST J024048.51+195226.9), w którym dodatkowo obserwuje się zaćmienia.
Polary pośrednie (ang. intermediate polars, w skrócie IPs), czyli gwiazdy podobne do DQ Herculis są układami kataklizmicznymi składającymi się z chłodnego, niezdegenerowanego towarzysza, który transferuje masę na białego karła z silnym polem magnetycznym. W polarach pośrednich okres rotacji białego karła jest znacznie krótszy od okresu orbitalnego, więc transfer masy jest skomplikowany ze względu zmiany położenia pola magnetycznego białego karła względem gwiazdy oddającej materię gazową. Jeżeli biały karzeł z silnym polem magnetycznym obraca się wystarczająco szybko, to opadający gaz może zostać wyrzucony z układu w trybie „magnetycznego propellera-wiatraka” – tzn. szybko rotująca magnetosfera białego karła działa jak bariera odśrodkowa, która blokuje akrecję materii na białego karła. Uważa się, że ten mechanizm magnetycznego wiatraka działa w szerokim zakresie układów podwójnych, gdzie obserwuje się akrecję – włącza się w to też gwiazdy neutronowe i młode obiekty gwiazdowe. Jednak w układach podwójnych z białymi karłami tryb propellera pojawia się ekstremalnie rzadko.
Nieco dziwna nazwa „polarów pośrednich” (ang. intermediate polars) wzięła się z obserwacji spolaryzowanego światła o umiarkowanym – „pośrednim” stopniu w porównaniu do bezdyskowch układów podwójnych zwanych polarami (ang. polars), w których obserwuje się pełną polaryzację światła. Polary pośrednie są typem układów kataklizmicznych, który jest również określany pojęciem układów katalizmicznych podobnych do DQ Herculis, zaś polary – układy kataklizmiczne podobne do AM Herculis.
Schematyczny widok układu kataklizmicznego typu polar pośredni. Materia ze składnika wtórnego przepływa do dysku akrecyjnego otaczającego białego karła. Jednak w pobliżu białego karła ten transfer jest zaburzany przez silne pole magnetyczne białego karła. Źródło: oprac. na podstawie ilustracji NASA
Zwykle biały karzeł w układzie kataklizmicznym akreuje materię z wtórnego składnika i jego masa rośnie. Jednak w układzie J0240 biały karzeł odrzuca tą materię i wręcz usuwa ją z tego układu podwójnego.
Należy wziąć szybko rotującego białego karła z silnym polem magnetycznym, aby stworzyć takie śmigło – powiedział główny autor publikacji, Peter Garnavich z Notre Dame University (USA). Zwykle gaz pochodzący z wtórnego składnika opada na powierzchnię białego karła. To jest tak powszechne jak piasek na plaży. Ale w układach z magnetycznym śmigłem gaz jest usuwany z układu podwójnego po rozwijającej się spirali – podobnie jak ogrodowych zraszaczach trawników.
Białe karły są bardzo gęstą pozostałością po ewolucji takich gwiazd jak nasze Słońce. Gdy w takiej gwieździe skończą się skończą się jądrowe źródła energii, grawitacja ściska całą gwiazdę do rozmiarów Ziemi, ale masa gwiazdy pozostaje praktycznie bez zmian (np. Słońce będzie miało masę około 300 tysięcy razy większą niż Ziemia). Masa jest tak ściśnięta, że łyżeczka od herbaty materii „zaczerpniętej” z wnętrza białego karła waży około 15 ton! Kompresja gwiazdy z rozmiarów rzędu miliona km do wielkości Ziemi powoduje również wzmocnienie pola magnetycznego oraz zwiększenie tempa rotacji. W szczególności za około 5 miliardów lat czeka nasze Słońce transformacja w białego karła. Jednak bez gwiazdy-towarzysza Słońce nigdy nie będzie częścią układu kataklizmicznego. Jest to pierwszy bezpośredni dowód na to, że magnetyczne śmigło wyrzuca materię wypływającą z wtórnego składnika.
Do tej pory jedynym potwierdzonym polarem pośrednim w trybie propellera był układ AE Aqr. Został on odkryty w latach 50. XX wieku. W 2020 roku Thorstensen – jeden ze współautorów omawianej publikacji zasugerował, że obiekt J0240 jest drugim polarem pośrednim w modzie propellera. Wskazują na to obserwowane w krzywej blasku rozbłyski oraz wygląd widma. Natomiast analiza krzywej blasku z różnych przeglądów nieba w długiej skali czasowej wskazuje na to, że składnik wtórny przesłania źródło rozbłysków – co implikuje duże nachylenie płaszczyzny orbity układu J0240 dla obserwatora na Ziemi. W przeciwieństwie do AE Aqr uważa się, że J0240 jest najprawdopodobniej pierwszym zaćmieniowym magnetycznym propellerem. Oznacza to, że gaz wyrzucony z tego układu kataklizmicznego jest widoczny na tle obu gwiazd.
Niezwykłe w tym systemie jest to, że naprawdę możemy obserwować obłoki gazu wyrzucanego przez to śmigło – powiedział Garnavich. Ten gaz blokuje część światła emitowanego przez obie gwiazdy i bezpośrednio możemy zobaczyć absorpcję w naszych danych.
Grupa astronomów kierowana przez Garnavich'a rozpoczęła obserwacje J0240 za pomocą teleskopu Large Binocular Telescope (Arizona, USA). Zaobserwowano rozbłyski i zaćmienia, które tłumaczy się szybką rotacją białego karła i wpływem pola magnetycznego. Następuje wyrzucenie opadającego gazu, który w innych okolicznościach zasiliłby powierzchnię białego karła, ale zamiast tego tworzy gazową spiralę gazową oddalającą się od obu gwiazd.
Im dłużej obserwowaliśmy tą gwiazdę, tym bardziej wydawała nam się fascynująca – powiedział Garnavich. Układ J0240 był obserwowany we wrześniu, październiku i listopadzie 2020 roku Obserwacje wrześniowe uchwyciły tylko połowę orbity układu J0240 o okresie orbitalnym około 7:34 godziny, a w październiku – brakującą połowę.
Obserwowane przez nas rozbłyski to są mini-wybuchy, które rozpędzają gaz do prędkości 6 milionów mil na godzinę, czyli 1 procenta prędkości światła – kontynuował główny autor publikacji.
Rozbłyski znikają, gdy składnik wtórny zasłania ich źródło podczas zaćmienia. Na podstawie momentów zaćmień astronomowie dokładnie określili lokalizację tych rozbłysków.
Te rozbłyski powstają bardzo blisko zwartego towarzysza, najprawdopodobniej w wyniku uderzenia, które doznaje gaz, gdy zbliża się do szybko rotującego pola magnetycznego – powiedział Garnavich.
Schematyczny widok układu kataklizmicznego typu polar pośredni (po lewej) oraz krzywa blasku z przykładowymi rozbłyskami w skali minut w układzie AE Aqr (po prawej). Wyjątkowo tylko dla dwóch znanych polarów pośrednich AE Aqr i J0240, biały karzeł z silnym polem magnetycznym pełni funkcję wiatraka ze śmigłem rotującym tak szybko (np. AE Aqr: Protacji ~33 sekundy), że wymiata poza układ całą materię opadającą z wtórnego składnika. J0240 jest unikalny również pod tym względem, że z Ziemi widzimy go prawie w płaszczyźnie orbity. Dlatego obserwujemy zaćmienia. Oprac. na podstawie ilustracji NASA + A.Bruch 2021 (AE Aqr flickering, czyli zmiany jasności w skali minut)
Garnavich ma nadzieję uzyskać pełniejszą wiedzę o niezwykłym układzie kataklizmicznym J0240 w oparciu o dalsze obserwacje. Jedną z wielkich niewiadomych jest okres rotacji białego karła, którego nie udało się wyznaczyć.
Energia tego propellera pochodzi z rotacji białego karła, więc oczekujemy zmniejszania się z czasem tempa rotacji. Gdy wyczerpie się, to propeller zatrzyma się i system będzie wyglądał tak jak normalny układ kataklizmiczny – powiedział Garnavich.
Największą zagadką jednak jest w jaki sposób doprowadzić układ do tego stanu – powiedział główny autor publikacji. Jest to bardzo krótki etap, w którym pole magnetyczne białego karła obraca się tak szybko jak to tylko jest możliwe bez faktycznej dezintegracji. Wydaje się, że taka szybka rotacja z silnym polem magnetycznym nie może być po prostu zbiegiem okoliczności.
W pierwszym znanym układzie kataklizmicznym z propellerem, czyli AE Aqr, okres rotacji białego karła wynosi 33 sekundy i tego rzędu powinien być w układzie J0240. Na podstawie analizy obserwacji fotometrycznych w omawianej publikacji nie uzyskano okresu rotacji dla białego karła w układzie J0240. Oszacowano tylko górną granicę amplitudy zmian jasności spowodowanej rotacją białego karła na 0.004m w filtrze „g” dla okresu rotacji zawartego w przedziale 6.3–85 sekund.
Więcej informacji:
Publikacja naukowa (zostanie opublikowana w Astrophysical Journal, wersja darmowa ArXiv): Confirmation of a Second Propeller: A High-Inclination Twin of AE Aquarii
Scientists identify a rare magnetic propeller in a binary star system
Źródło: University of Notre Dame (USA)
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji wizja artystyczna AE Aquarii – pierwszego unikalnego układu kataklizmicznego z propellerem, w którym biały karzeł z silnym polem magnetycznym rotuje tak szybko (okres rotacji 33 sekundy), że wymiata poza układ całą materię opadającą z wtórnego składnika. Podobny drugi układ J0240 został odkryty w 2020 roku i dodatkowo obserwuje się tutaj zaćmienia. Okres orbitalny AE Aqr wynosi ~9.88 godz., a J0240 - ~7.34 godz. Źródło: NASA
