Astronomowie korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a NASA po raz pierwszy bezpośrednio zmierzyli masę pojedynczego, odizolowanego białego karła – ocalałego jądra wypalonej gwiazdy podobnej do Słońca.
Naukowcy odkryli, że biały karzeł ma masę 56 procent masy naszego Słońca. Jest to zgodne z wcześniejszymi przewidywaniami teoretycznymi dotyczącymi masy białego karła i potwierdza obecne teorie ewolucji białych karłów jako końcowego produktu ewolucji typowej gwiazdy. Ta wyjątkowa obserwacja daje wgląd w teorie budowy i składu białych karłów.
Do tej pory poprzednie pomiary masy białych karłów opierały się na obserwacjach białych karłów w układach podwójnych gwiazd. Obserwując ruch dwóch krążących wokół gwiazd, można zastosować prostą fizykę Newtona do pomiaru ich mas. Jednak pomiary te mogą być niepewne, czy gwiazda towarzysząca białemu karłowi znajduje się na orbicie długookresowej trwającej setki lub tysiące lat. Ruch orbitalny można zmierzyć za pomocą teleskopów tylko na krótkim odcinku ruchu orbitalnego karła.
W przypadku tego pozbawionego towarzysza białego karła naukowcy musieli zastosować sztuczkę natury, zwaną mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Światło gwiazdy tła zostało lekko odchylone przez grawitacyjne wypaczanie przestrzeni przez karła pierwszego planu. Gdy biały karzeł przechodził przed gwiazdą tła, mikrosoczewkowanie spowodowało, że gwiazda wydawała się chwilowo przesunięta w stosunku do swojej rzeczywistej pozycji na niebie.
Wyniki opublikowano w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Głównym autorem jest Peter McGill, wcześniej z University of Cambridge (obecnie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz).
McGill użył Hubble’a do precyzyjnego zmierzenia, jak światło odległej gwiazdy zakrzywiło się wokół białego karła, znanego jako LAWD 37, powodując tymczasową zmianę położenia gwiazdy tła na niebie.
Kailash Sahu z Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland, główny badacz Hubble’a w tej ostatniej obserwacji, po raz pierwszy użył mikrosoczewkowania w 2017 r. do zmierzenia masy innego białego karła, Steina 2051 B. Ale ten karzeł znajduje się w bardzo odległym układzie podwójnym . „Nasza ostatnia obserwacja zapewnia nowy punkt odniesienia, ponieważ LAWD 37 jest sam w sobie” – powiedział Sahu.
Zapadnięte pozostałości gwiazdy, która wypaliła się 1 miliard lat temu, LAWD 37, zostały dokładnie zbadane, ponieważ znajduje się zaledwie 15 lat świetlnych stąd, w konstelacji Musca. „Ponieważ ten biały karzeł jest stosunkowo blisko nas, mamy o nim wiele danych – mamy informacje o jego spektrum światła, ale brakującym elementem układanki był pomiar jego masy” – powiedział McGill.
Zespół skupił się na białym karle dzięki należącemu do ESA kosmicznemu obserwatorium Gaia, które wykonuje niezwykle precyzyjne pomiary prawie 2 miliardów pozycji gwiazd. Do śledzenia ruchu gwiazdy można wykorzystać wiele obserwacji Gaia. Na podstawie tych danych astronomowie byli w stanie przewidzieć, że LAWD 37 przejdzie na krótko przed gwiazdą tła w listopadzie 2019 roku.
Gdy stało się to znane, Hubble został wykorzystany do precyzyjnych pomiarów przez kilka lat, w jaki sposób pozorna pozycja gwiazdy tła na niebie była chwilowo odchylana podczas przejścia białego karła.
„Zdarzenia te są rzadkie, a skutki są niewielkie” – powiedział McGill. „Na przykład wielkość naszego zmierzonego przesunięcia jest jak mierzenie długości samochodu na Księżycu widzianego z Ziemi”.
Ponieważ światło gwiazdy tła było tak słabe, głównym wyzwaniem dla astronomów było wydobycie jej obrazu z blasku białego karła, który jest 400 razy jaśniejszy niż gwiazda tła. Tylko Hubble może wykonywać tego rodzaju obserwacje o wysokim kontraście w świetle widzialnym.
„Precyzja pomiaru masy LAWD 37 pozwala nam przetestować zależność masa-promień dla białych karłów” – powiedział McGill. „Oznacza to przetestowanie teorii materii zdegenerowanej (gaz tak bardzo sprężony pod wpływem grawitacji, że zachowuje się bardziej jak materia stała) w ekstremalnych warunkach wewnątrz tej martwej gwiazdy” – dodał.
Naukowcy twierdzą, że ich wyniki otwierają drzwi do przewidywania przyszłych zdarzeń za pomocą danych z Gaia. Oprócz Hubble’a, wyrównania te można teraz wykryć za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba należącego do NASA. Ponieważ Webb pracuje w zakresie fal podczerwonych, niebieska poświata białego karła na pierwszym planie wydaje się słabsza w świetle podczerwonym, a gwiazda tła wygląda na jaśniejszą.
Opierając się na mocy predykcyjnej Gai, Sahu obserwuje innego białego karła, LAWD 66, za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Pierwszą obserwację wykonano w 2022 r. Dalsze obserwacje zostaną podjęte, gdy odchylenie osiągnie szczyt w 2024 r., a następnie ustąpi.
„Gaia naprawdę zmieniła zasady gry – to ekscytujące móc wykorzystywać dane z Gai do przewidywania, kiedy nastąpią zdarzenia, a następnie obserwować ich przebieg” – powiedział McGill. „Chcemy kontynuować pomiary efektu mikrosoczewkowania grawitacyjnego i uzyskać pomiary masy dla wielu innych typów gwiazd”.
W swojej ogólnej teorii względności z 1915 r. Einstein przewidział, że gdy masywny, zwarty obiekt przechodzi przed gwiazdą tła, światło gwiazdy zakrzywi się wokół obiektu pierwszego planu z powodu zakrzywienia przestrzeni przez jego pole grawitacyjne.
Dokładnie sto lat przed tą ostatnią obserwacją z Hubble’a, w 1919 roku, dwie zorganizowane przez Brytyjczyków ekspedycje na półkulę południową po raz pierwszy wykryły ten efekt soczewkowania podczas zaćmienia Słońca 19 maja. Został okrzyknięty pierwszym eksperymentalnym dowodem ogólnej teorii względności – że grawitacja zakrzywia przestrzeń. Jednak Einstein był pesymistą, że efekt można kiedykolwiek wykryć dla gwiazd spoza naszego Układu Słonecznego ze względu na wymaganą precyzję. „Nasz pomiar jest 625 razy mniejszy niż efekt zmierzony podczas zaćmienia Słońca w 1919 roku” – powiedział McGill.
Kosmiczny Teleskop Hubble’a to projekt międzynarodowej współpracy NASA i ESA. NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland zarządza teleskopem. Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore prowadzi operacje naukowe Hubble’a. STScI jest obsługiwany przez NASA przez Association of Universities for Research in Astronomy w Waszyngtonie