2010.03.01. - Ígéretes célpont gravitációs hullám-detektorok számára

A HM Cnc fehér törpe kettős keringési periódusa spektroszkópiai mérések szerint is csak 5,4 perc és egyre csökken. A becslések szerint ígéretes célpontja lehet a gravitációs hullámok detektálására tervezett űrberendezéseknek.

Jelenleg két olyan szoros, kölcsönható kettős rendszer ismert, melynek - vélelmezett - keringési periódusa 10 percnél rövidebb, az egyik a V407 Vul (RX J1914.4+2456) 9,5 perccel, a másik pedig a HM Cnc (RX J0806.3+1527) 5,4 perccel. Ha a röntgen és az optikai tartományban detektált rövid időskálájú periodikus változásokat valóban a keringés modulálja, akkor a HM Cnc két fehér törpéből kell, hogy álljon, melyek a gravitációs hullámok általi folyamatos energiavesztés miatt egyre közelebb kerülnek egymáshoz, miközben a komponensek között valószínűleg stabil anyagátadási folyamat is zajlik. Extrém és egyedi volta miatt a HM Cnc vizsgálatával sokan foglalkoztak már, de a természetét illetően a végső konklúzió levonása még várat magára. A két rendszerrel kapcsolatos, a modellek által figyelembe veendő tények a következők: (a) Nincs bizonyíték az 5,4 és 9,5 perces periodicitásokon túli egyéb változásokra. (b) Az optikai és röntgenfluxusok maximumának bekövetkezte között mindkét rendszer esetében körülbelül negyed fázisnyi eltérés van, mégpedig az első javára, azaz az optikai maximum előbb jelentkezik. (c) Mindkét rendszernél csökken a detektált periódus hossza.

Fantáziarajz a keringés során egymáshoz egyre közelebb kerülő fehér törpékről, melyek végül egy gigantikus kataklizma közben összeolvadnak. Újabb kutatások szerint valószínűleg ilyen esemény az Ia típusú szupernóva-robbanások nagy része.
[D. Andrew Howell]

A felsorolt megfigyelési tények magyarázatára három modell jöhet szóba. (1) Az első (Intermediate Polar, IP) szerint a keringési periódus valójában több óra, az 5 és 10 perces időtartamok pedig a kettősök egyik, mágneses fehér törpe komponensének tengelyforgási periódusai. A röntgen- és az optikai tartományban tapasztalható periodikus változások eredete ezen komponens mágneses pólusaira hulló anyaghoz köthető. Az akkretált anyag impulzusnyomatéka miatti felpörgés okán mindkét hullámhossztartományban perióduscsökkenés várható. A hosszabb periódusú változások hiánya ugyanakkor csak úgy magyarázható, ha mindkét rendszer esetében a pályasíkra majdnem merőlegesen látunk rá. Nehezen magyarázható viszont a maximumok közti fáziseltérés. (2) A második (Unipolar Inductor, UI) elképzelés a Jupiter-Io rendszerhez hasonlítja a kettősöket. Ebben a modellben egy mágneses fehér törpe körül kering egy másik, nem mágneses fehér törpe. A mágneses tér elektromos áramokat indukál a nem mágneses komponensben, melyek a két csillag között feszülő mágneses fluxuscsövek mentén a főkomponens felé indulnak. A rendszerből származó röntgensugárzás ezen áramoknak a mágneses komponens felszínén lévő talppontjainál keletkezik. A modell szerint az 5,4 perc a keringési periódus, a komponensek azonban érintkezők. Itt is várható a periódus folyamatos csökkenése a gravitációs hullámokkal történő energiavesztés miatt, de ebben a modellben is nehezen magyarázható az optikai- és röntgenmaximumok közti fáziskülönbség, ugyanis a feltételezett áramok talppontjainak körülbelül 90 fokkal kellene előzni mindkét rendszernél a nem mágneses másodkomponenst. (3) A harmadik (AM CVn) modell szerint egy Roche-térfogatát kitöltő fehér törpe ad át folyamatosan anyagot egy másik, de jóval nagyobb tömegű fehér törpének. A HM Cnc esetében az 5,4 perc ebben a modellben is pályaperiódus. Az anyag "egyenesen", akkréciós korong nélkül hullik a főkomponenre. A maximumok fáziskülönbségét az magyarázza, hogy a főkomponensbe ütköző anyagáram előzőleg elhajlik, s nem tengelyirányban találja el annak felszínét. A modellben nem várhatók hosszabb periódusú változások, viszont a HM Cnc és a V407 Vul esetében is problémás lehet a perióduscsökkenés magyarázata, bár az utóbbi néhány évben történt kedvező előrelépés ezen a területen is.

A HM Cnc színképének részlete a neutrális (HeI) és egyszeresen ionizált hélium (HeII), illetve a kétszeresen ionizált nitrogén (NIII) azonosított vonalaival.
[Roelofs és tsai]

Gijs Roelofs (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) és munkatársai a Keck I teleszkópot és annak LRIS (Low-Resolution Imaging Spectrograph) műszerét használták, hogy a HM Cnc esetében kinematikai bizonyítékokat szerezzenek a fenti modellek mellett vagy ellen. Mivel a cél az volt, hogy az egész 5,4 perces keringési fázist jól lefedjék radiális sebességek mérésére alkalmas színképekkel (ami teljesen kielégítő mértékben végül mégsem sikerült), ezért az expozíciós időket 60 másodpecben limitálták. A spektrumokat az ionizált hélium emissziós vonalai dominálják, melyek félértékszélessége körülbelül 2500 km/s, azaz a 300 km/s felbontású színképeken jól tanulmányozhatók. A spektrumokban neutrális héliumvonalak is azonosíthatók, de azok jóval gyengébbek, s vannak hidrogén jelenlétére utaló nyomok is. A megfigyelt nitrogénvonalak pedig azt jelzik, hogy a HM Cnc valószínűleg mégsem nitrogénszegény objektum, ahogyan azt korábban gondolták. A több száz rögzített spektrum segítségével Roelofs és kollégái a héliumvonalak radiális sebességváltozásai alapján pontosították a kettős periódusát, melynek új értéke - ami persze nem nagyon tér el a korábban például fotometriai mérésekből kapott értéktől - P = 321,53 s, illetve a periódus változási ütemét. Egészen 6 óráig elmenve próbaperiódusokkal vizsgálták azt is, hogy esetleg más, hosszabb időskálájú változások is kimutathatók-e a színképvonalakban, de ilyenek nyomát nem találták.

Roelofs és munkatársai szerint a spektroszkópiai adatokon alapuló következtetések a HM Cnc esetében végül is az "AM CVn" modellt támasztják alá, így ez az objektum az ismert legrövidebb keringési periódusú kettőscsillag. A hélium ellentétes fázisban változó HeI 4471 és HeII 4686 vonalai, illetve feltételezett keletkezési helyük alapján a kettős két komponensének tömegarányát is meg tudták becsülni: q = M₂/M₁ = 0,50 ± 0,13. Ahhoz azonban, hogy az általuk levezetett periódusváltozást magyarázni lehessen, az anyagot átadó donorcsillag tömegének a korábban feltételezettnél nagyobbnak, M₂ = 0,27 naptömeg körülinek kell lennie, amit az említett héliumvonalak segítségével végzett ún. Doppler-tomográfia is megerősített. A tömegarány alapján ez egyben azt is jelenti, hogy a főkomponens tömege M₁ ≈ 0,55 naptömeg. Ezek az értékek egyébként összhangban vannak a fejlődési modellek által a fehér törpékre jósolt tömegekkel. Ismeretükben a kettős pályasíkjának inklinációja is megbecsülhető, ez i ≈ 38°.

A HM Cnc modellje, bal oldalon az anyagot átadó csillaggal. A röntgensugárzás onnan származik, ahol az anyagáram a főkomponens felszínébe ütközik (fekete pont). A HeI 4471 emisszió forrása a donorcsillag főkomponens által megvilágított része (vonalkázott terület), de innen ered az egyéb, látható tartománybeli modulált sugárzás is. A HeII vonalak a főkomponens egyenlítője körüli gyűrűben keletkeznek (vastag fekete vonal).
[Roelofs és tsai]

A HM Cnc távolsága 5 kpc körüli, s bár ez az érték eléggé bizonytalan, a rendszer becsült paraméterei alapján Roelofs és kollégái meghatározták a kettős által generált gravitációs hullámoknak a Földön vagy bolygónk közelében észlelhető amplitúdóját: h ≈ 10^-22. Pontosabban, ez a dimenzió nélküli paraméter arról ad felvilágosítást, hogy a gravitációs hullámok milyen arányú torzulást okoznak a téridő szerkezetében annak adott pontján, az elektromágneses hullámok klasszikus amplitúdójával a h idő szerinti deriváltja kapcsolható össze. A h becsült értéke azt jelzi, hogy a gravitációs hullámok detektálására tervezett űrberendezések, például a LISA (Laser Interferometer Space Antenna) számára a HM Cnc az egyik legkönnyebben mérhető forrás lehet.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal Letters c. folyóiratban fog megjelenni.

Forrás:

• ApJ 711 L138-L142