Prawie połowa gwiazd w naszej galaktyce jest samotna jak słońce. Druga połowa to gwiazdy, które okrążają inne gwiazdy, parami i wielokrotnościami, o orbitach tak ciasnych, że niektóre układy gwiezdne mogłyby zmieścić się między Ziemią a Księżycem.
Astronomowie z MIT i innych miejsc odkryli układ podwójny lub parę gwiazd o niezwykle krótkiej orbicie, które wydają się okrążać siebie nawzajem co 51 minut. Układ wydaje się być jedną z rzadkiej klasy układów podwójnych znanych jako „kataklizmiczna zmienna”, w której gwiazda podobna do naszego Słońca krąży ciasno wokół białego karła – gorącego, gęstego jądra wypalonej gwiazdy.
Kataklizmiczna zmienna pojawia się, gdy dwie gwiazdy zbliżają się do siebie na przestrzeni miliardów lat, powodując akrecję białego karła lub zjadanie materii z dala od swojej gwiazdy partnerskiej. Proces ten może emitować ogromne, zmienne błyski światła, które przed wiekami astronomowie zakładali, że są wynikiem jakiegoś nieznanego kataklizmu.
Nowo odkryty układ, który zespół oznaczył jako ZTF J1813+4251, jest zmienną kataklizmiczną o najkrótszej wykrytej dotychczas orbicie. W przeciwieństwie do innych tego typu systemów obserwowanych w przeszłości, astronomowie uchwycili tę kataklizmiczną zmienną, gdy gwiazdy wielokrotnie zasłaniały się wzajemnie, co pozwoliło zespołowi precyzyjnie zmierzyć właściwości każdej gwiazdy.
Dzięki tym pomiarom naukowcy przeprowadzili symulacje tego, co system prawdopodobnie robi dzisiaj i jak powinien ewoluować w ciągu następnych setek milionów lat. Doszli do wniosku, że gwiazdy znajdują się obecnie w okresie przejściowym, a podobna do Słońca gwiazda krąży i “oddaje” większość swojej atmosfery wodorowej żarłocznemu białemu karłowi. Podobna do Słońca gwiazda zostanie ostatecznie rozebrana do w większości gęstego, bogatego w hel jądra. Za kolejne 70 milionów lat gwiazdy będą migrować jeszcze bliżej siebie, a ultrakrótka orbita osiągnie zaledwie 18 minut, zanim zaczną się rozszerzać i oddalać.
Kilkadziesiąt lat temu naukowcy z MIT i innych instytucji przewidzieli, że takie kataklizmiczne zmienne powinny przejść na ultrakrótkie orbity. Po raz pierwszy taki system przejściowy został zaobserwowany bezpośrednio.
„To rzadki przypadek, w którym złapaliśmy jeden z tych systemów w akcie przejścia od wodoru do akrecji helu” – mówi Kevin Burdge, członek Pappalardo na Wydziale Fizyki MIT. „Ludzie przewidywali, że te obiekty powinny przejść na ultrakrótkie orbity i przez długi czas dyskutowano, czy mogą być wystarczająco krótkie, aby emitować wykrywalne fale grawitacyjne. To odkrycie daje spokój”.
Burdge i koledzy donoszą o swoim odkryciu w Naturze. Wśród współautorów badania są współpracownicy z wielu instytucji, w tym z Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics.
Wyszukiwanie nieba
Astronomowie odkryli nowy system w obszernym katalogu gwiazd obserwowanym przez Zwicky Transient Facility (ZTF), przegląd, który wykorzystuje kamerę przymocowaną do teleskopu w Obserwatorium Palomar w Kalifornii do wykonywania zdjęć w wysokiej rozdzielczości szerokich pokosów niebo.
Przegląd wykonał ponad 1000 zdjęć każdej z ponad miliarda gwiazd na niebie, rejestrując zmieniającą się jasność każdej gwiazdy na przestrzeni dni, miesięcy i lat.
Burdge przeszukiwał katalog, szukając sygnałów systemów o ultrakrótkich orbitach, których dynamika może być tak ekstremalna, że powinny emitować dramatyczne rozbłyski światła i fale grawitacyjne.
„Fale grawitacyjne pozwalają nam badać wszechświat w zupełnie nowy sposób” – mówi Burdge, który przeszukuje niebo w poszukiwaniu nowych źródeł fal grawitacyjnych.
W ramach tego nowego badania Burdge przejrzał dane ZTF pod kątem gwiazd, które wydawały się migać wielokrotnie, z okresem krótszym niż godzina – częstotliwość, która zazwyczaj sygnalizuje systemowi co najmniej dwóch obiektów krążących blisko siebie, z których jeden krzyżuje się z drugim i krótko blokując jego światło.
Użył algorytmu do przesiewania ponad miliarda gwiazd, z których każda została zarejestrowana na ponad 1000 zdjęć. Algorytm odfiltrował około miliona gwiazd, które wydawały się migać co godzinę. Wśród nich Burdge następnie szukał sygnałów o szczególnym znaczeniu. Jego poszukiwania skupiły się na ZTF J1813+4251 – systemie znajdującym się około 3000 lat świetlnych od Ziemi, w konstelacji Herkulesa.
„To wyskoczyło, kiedy widziałem zaćmienie pojawiające się co 51 minut i powiedziałem, ok, to zdecydowanie jest binarny” – wspomina Burdge.
Gęsty rdzeń
On i jego koledzy dalej skupili się na systemie, korzystając z Obserwatorium WM Kecka na Hawajach i Gran Telescopio Canarias w Hiszpanii. Odkryli, że system był wyjątkowo „czysty”, co oznacza, że mogli wyraźnie zobaczyć, jak zmienia się jego światło przy każdym zaćmieniu. Z taką jasnością byli w stanie precyzyjnie zmierzyć masę i promień każdego obiektu, a także jego okres orbitalny.
Odkryli, że pierwszym obiektem był prawdopodobnie biały karzeł o wielkości 1/100 Słońca i około połowie jego masy. Drugim obiektem była gwiazda podobna do Słońca pod koniec swojego życia, o wielkości i masie jednej dziesiątej Słońca (wielkości mniej więcej Jowisza). Gwiazdy również wydawały się krążyć wokół siebie co 51 minut.
Jednak coś się nie zgadzało.
„Ta jedna gwiazda wyglądała jak Słońce, ale Słońce nie mieści się na orbicie krótszej niż osiem godzin – co tu jest?” mówi Burdge.
Wkrótce znalazł wyjaśnienie: prawie 30 lat temu naukowcy, w tym emerytowany profesor MIT Saul Rappaport, przewidzieli, że systemy ultrakrótkich orbit powinny istnieć jako zmienne kataklizmiczne. Gdy biały karzeł zjada krąży wokół gwiazdy podobnej do Słońca i zjada jej lekki wodór, gwiazda podobna do Słońca powinna się wypalić, pozostawiając rdzeń helowy – pierwiastek, który jest gęstszy niż wodór i wystarczająco ciężki, aby utrzymać martwych gwiazda na ciasnej, ultrakrótkiej orbicie.
Burdge zdał sobie sprawę, że ZTF J1813+4251 był prawdopodobnie zmienną kataklizmiczną, przechodzącą z ciała bogatego w wodór w hel. Odkrycie zarówno potwierdza przewidywania Rappaporta i innych, jak i stanowi najkrótszą do tej pory zmienną kataklizmiczną na orbicie.
„To specjalny system” – mówi Burdge. „Mieliśmy podwójne szczęście, że znaleźliśmy system, który odpowiada na ważne pytanie otwarte i jest jedną z najładniej zachowujących się znanych zmiennych kataklizmicznych”.
Badania te były częściowo wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych.