Astronomer hittar ett “katalysmiskt” par stjärnor med den kortaste omloppsbanan hittills | MIT Nyheter

Nästan hälften av stjärnorna i vår galax är ensamma som solen. Den andra halvan består av stjärnor som kretsar runt andra stjärnor, i par och multiplar, med banor så snäva att vissa stjärnsystem kan passa mellan jorden och månen.

Astronomer vid MIT och på andra håll har nu upptäckt en stjärnbinär, eller ett par stjärnor, med en extremt kort omloppsbana, som verkar cirkla var 51:e minut. Systemet verkar vara ett av en sällsynt klass av binärer som kallas en “katalysmisk variabel”, där en stjärna som liknar vår sol kretsar tätt runt en vit dvärg – en varm, tät kärna av en utbränd stjärna.

En kataklysmisk variabel uppstår när de två stjärnorna närmar sig, under miljarder år, vilket gör att den vita dvärgen börjar samlas eller äter bort material från sin partnerstjärna. Denna process kan avge enorma, varierande ljusblixtar som astronomer för århundraden sedan antog vara ett resultat av en okänd katastrof.

Det nyupptäckta systemet, som teamet har taggat ZTF J1813+4251, är en kataklysmisk variabel med den kortaste omloppsbanan som har upptäckts hittills. Till skillnad från andra sådana system som observerats tidigare, fångade astronomerna denna katastrofala variabel när stjärnorna förmörkade varandra flera gånger, vilket gjorde det möjligt för teamet att exakt mäta egenskaperna hos varje stjärna.

Med dessa mätningar körde forskarna simuleringar av vad systemet sannolikt gör idag och hur det bör utvecklas under de kommande hundratals miljoner åren. De drar slutsatsen att stjärnorna för närvarande är i övergång och att den solliknande stjärnan har cirkulerat och “donerat” mycket av sin väteatmosfär till den glupska vita dvärgen. Den solliknande stjärnan kommer så småningom att avskalas till en mestadels tät, heliumrik kärna. Om ytterligare 70 miljoner år kommer stjärnorna att vandra ännu närmare varandra, med en ultrakort omloppsbana som når bara 18 minuter, innan de börjar expandera och driva isär.

För årtionden sedan förutspådde forskare vid MIT och andra att sådana kataklysmiska variabler skulle övergå till ultrakorta banor. Detta är första gången ett sådant övergångssystem har observerats direkt.

“Det här är ett sällsynt fall där vi fångade ett av dessa system i färd med att byta från väte till heliumtillväxt”, säger Kevin Burdge, en Pappalardo-stipendiat vid MIT:s institution för fysik. “Folk förutspådde att dessa objekt skulle övergå till ultrakorta banor, och det diskuterades under lång tid om de kunde bli tillräckligt korta för att avge detekterbara gravitationsvågor. Denna upptäckt sätter det till vila.”

Burge och kollegor rapporterar sin upptäckt idag i Natur. Studiens medförfattare inkluderar medarbetare från flera institutioner, inklusive Harvard och Smithsonian Center for Astrophysics.

Sky search

Astronomerna upptäckte det nya systemet i en stor katalog av stjärnor, observerad av Zwicky Transient Facility (ZTF), en undersökning som använder en kamera kopplad till ett teleskop vid Palomar Observatory i Kalifornien för att ta högupplösta bilder av breda sträckor av himmel.

Undersökningen har tagit mer än 1 000 bilder av var och en av de mer än 1 miljard stjärnorna på himlen, och registrerar varje stjärnas föränderliga ljusstyrka under dagar, månader och år.

Burdge kammade igenom katalogen och letade efter signaler från system med ultrakorta banor, vars dynamik kan vara så extrem att de borde avge dramatiska ljusskurar och avge gravitationsvågor.

“Gravitationsvågor tillåter oss att studera universum på ett helt nytt sätt”, säger Burdge, som letar på himlen efter nya gravitationsvågskällor.

För denna nya studie tittade Burdge igenom ZTF-data för stjärnor som verkade blinka upprepade gånger, med en period på mindre än en timme – en frekvens som vanligtvis signalerar ett system med minst två nära kretsande objekt, där det ena korsar det andra och kortvarigt blockerar dess ljus.

Han använde en algoritm för att rensa igenom över 1 miljard stjärnor, som var och en registrerades i mer än 1 000 bilder. Algoritmen sållade bort cirka 1 miljon stjärnor som såg ut att blinka varje timme eller så. Bland dessa letade Burdge sedan med ögonen efter signaler av särskilt intresse. Hans sökning nollställde ZTF J1813+4251 – ett system som ligger cirka 3 000 ljusår från jorden, i Hercules-konstellationen.

“Den här saken dök upp, där jag såg en förmörkelse hända var 51:e minut, och jag sa, OK, det här är definitivt en binär,” minns Burdge.

En tät kärna

Han och hans kollegor fokuserade vidare på systemet med hjälp av WM Keck-observatoriet på Hawaii och Gran Telescopio Canarias i Spanien. De fann att systemet var exceptionellt “rent”, vilket betyder att de tydligt kunde se dess ljusförändring med varje förmörkelse. Med sådan klarhet kunde de exakt mäta varje objekts massa och radie, såväl som deras omloppsperiod.

De fann att det första föremålet troligen var en vit dvärg, 1/100 av solens storlek och ungefär hälften av dess massa. Det andra föremålet var en solliknande stjärna nära slutet av sitt liv, med en tiondel av solens storlek och massa (ungefär lika stor som Jupiter). Stjärnorna verkade också kretsa runt varandra var 51:e minut.

Men något stämde inte riktigt.

“Den här stjärnan såg ut som solen, men solen kan inte passa in i en omloppsbana kortare än åtta timmar – vad är det här uppe?” säger Burge.

Han hittade snart en förklaring: För nästan 30 år sedan hade forskare inklusive MIT professor emeritus Saul Rappaport förutspått att ultrakorta omloppssystem skulle existera som kataklysmiska variabler. När den vita dvärgen äter kretsar runt den solliknande stjärnan och äter bort dess lätta väte, bör den solliknande stjärnan brinna ut och lämna kvar en kärna av helium – ett grundämne som är tätare än väte och tillräckligt tungt för att behålla den döda stjärnan i en snäv, ultrakort bana.

Burdge insåg att ZTF J1813+4251 sannolikt var en kataklysmisk variabel, i handlingen att övergå från en väte- till heliumrik kropp. Upptäckten bekräftar både de förutsägelser som gjorts av Rappaport och andra, och står också som den kortaste kataklysmiska variabeln som har upptäckts hittills.

“Det här är ett speciellt system,” säger Burge. “Vi hade dubbel tur att hitta ett system som svarar på en stor öppen fråga och är en av de mest vackert uppförda kataklysmiska variablerna som är kända.”

Denna forskning stöddes delvis av Europeiska forskningsrådet.

.

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *