Naukowcy odkryli fascynującą kosmiczną tajemnicę: cieplej biały karzeł gwiazdy – pozostałości umierających słońc – są bardziej puszyste niż ich chłodniejsze odpowiedniki, nawet jeśli ważą tyle samo.
Badając ponad 26 000 tych ultragęstych gwiazd, naukowcy zbliżają się do wykorzystania ich jako naturalnych laboratoriów testowych do badania ekstremalnej grawitacji i nieuchwytnych cząstek tworzących ciemną materię. To odkrycie może zmienić nasze rozumienie fizyki gwiazd i pomóc odkryć ukryte siły we wszechświecie.
miekstremalnie STellar Bzachowanie Cpotwierdzone przez 26 000 Dej Ssmoły
Naukowcy potwierdzili długo przewidywane, ale nieuchwytne zjawisko występujące w białych karłach, czyli ultragęstych pozostałościach umierających gwiazd. Analizując ponad 26 000 białych karłów, badanie wykazało, że gorętsze gwiazdy są nieco większe, czyli „bardziej puszyste”, niż chłodniejsze, nawet jeśli mają tę samą masę.
Ustalenia te, opublikowane 18 grudnia w The Dziennik astrofizyczny przez zespół z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa przybliżają naukowców do wykorzystania białych karłów jako naturalnych laboratoriów. Gwiazdy te oferują wyjątkowe możliwości badania skutków ekstremalnej grawitacji i potencjalnie odkrywania dowodów na istnienie egzotycznych cząstek ciemnej materii.
Efekty grawitacyjne i gęstość gwiazd
„Białe karły to jedne z najlepiej scharakteryzowanych gwiazd, z którymi możemy współpracować, aby przetestować teorie leżące u podstaw zwykłej fizyki w nadziei, że może uda nam się znaleźć coś szalonego wskazującego na nową podstawową fizykę” – wyjaśniła Nicole Crumpler, astrofizyk z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, który kierował pracami. „Jeśli chcesz szukać ciemnej materii, grawitacji kwantowej lub innych egzotycznych rzeczy, lepiej zrozum normalną fizykę. W przeciwnym razie coś, co wydaje się nowatorskie, może być po prostu nowym przejawem efektu, który już znamy.”
Białe karły to jądra gwiazd, które kiedyś były podobne do naszego Słońca, ale wyczerpały cały wodór używany niegdyś jako paliwo jądrowe. Te rozebrane gwiazdy są tak gęste, że łyżeczka ich materiału waży ponad tonę, czyli jest znacznie cięższa od zwykłej materii. Przy tak ciasno upakowanej masie ich przyciąganie grawitacyjne może być setki razy silniejsze niż ziemskie.
Postęp w badaniach nad białym karłem
Badania opierały się na pomiarach wpływu tych ekstremalnych warunków na fale świetlne emitowane przez białe karły. Światło oddalające się od tak masywnych obiektów traci energię w procesie ucieczki przed grawitacją, stopniowo stając się bardziej czerwone. Ten efekt „przesunięcia ku czerwieni” rozciąga fale świetlne niczym gumę w sposób, w jaki mogą to mierzyć teleskopy. Wynika to z zakrzywienia czasoprzestrzeni spowodowanego ekstremalną grawitacją, zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina.
Uśredniając pomiary ruchów białych karłów względem Ziemi i grupując je według ich grawitacji i rozmiaru, zespół wyizolował grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, aby zmierzyć, jak wyższe temperatury wpływają na objętość ich zewnętrznych warstw gazowych.
Badania są kontynuacją wysiłków tej samej grupy Johnsa Hopkinsa. Przegląd 3000 białych karłów przeprowadzony w 2020 r. potwierdził, że gwiazdy kurczą się w miarę przyrostu masy z powodu „ciśnienia degeneracji elektronów” – procesu mechaniki kwantowej, który utrzymuje stabilność ich gęstych jąder przez miliardy lat bez potrzeby syntezy jądrowej, która zazwyczaj podtrzymuje nasze Słońce i inne typy gwiazd. Jak dotąd zespół nie dysponował wystarczającymi danymi, aby z całą pewnością potwierdzić subtelniejszy – ale ważny – wpływ wyższych temperatur na zależność masy od wielkości, powiedział Crumpler.
Badanie łączy obserwacje z Sloan Digital Sky Survey, w którym wykorzystuje się teleskopy w Chile i Nowym Meksyku, oraz Europejska Agencja Kosmicznamisji Gaia. W obu projektach stale mapuje się i śledzi miliony gwiazd, galaktyk i innych obiektów kosmicznych.
„Następnym odkryciem może być wykrycie niezwykle subtelnych różnic w składzie chemicznym jąder białych karłów o różnych masach” – powiedziała Nadia Zakamska, profesor astrofizyki Johnsa Hopkinsa, która kierowała badaniami. „Nie do końca rozumiemy maksymalną masę, jaką może mieć gwiazda, aby utworzyć białego karła, w przeciwieństwie do masy gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Te coraz bardziej precyzyjne pomiary mogą pomóc nam przetestować i udoskonalić teorie na temat tego i innych słabo poznanych procesów ewolucji masywnych gwiazd”.
Badania ciemnej materii i perspektywy na przyszłość
Obserwacje mogą również pomóc w próbach dostrzeżenia oznak ciemnej materii, takich jak aksjony lub inne hipotetyczne cząstki, powiedział Crumpler. Dostarczając bardziej szczegółowy obraz struktur białych karłów, zespół mógłby wykorzystać te dane do odkrycia sygnału konkretnego modelu ciemnej materii, który skutkuje powstaniem wzoru interferencji w naszej galaktyce. Crumpler powiedział, że jeśli dwa białe karły znajdą się w tym samym obszarze interferencji ciemnej materii, wówczas ciemna materia zmieni strukturę tych gwiazd w ten sam sposób.
Chociaż ciemna materia ma grawitację, nie emituje światła ani energii widocznej przez teleskopy. Naukowcy wiedzą, że stanowi większość materii w kosmosie, ponieważ jego grawitacja wpływa na gwiazdy, galaktyki i inne obiekty kosmiczne w sposób podobny do tego, jak Słońce wpływa na orbitę naszej planety.
„Uderzyliśmy głowami w ścianę, próbując dowiedzieć się, czym jest ciemna materia, ale powiedziałbym, że mamy do czynienia z przysiadem typu jack diddly” – powiedział Crumpler. „Wiemy bardzo dużo o tym, czym ciemna materia nie jest i mamy ograniczenia co do tego, co może, a czego nie może zrobić, ale nadal nie wiemy, co to jest. Dlatego zrozumienie prostszych obiektów astrofizycznych, takich jak białe karły, jest tak ważne, ponieważ dają nadzieję na odkrycie, czym może być ciemna materia.”
Odniesienie: „Wykrywanie zależności masy białego karła od temperatury za pomocą grawitacyjnych przesunięć ku czerwieni”: Nicole R. Crumpler, Vedant Chandra, Nadia L. Zakamska, Gautham Adamane Pallathadka, Stefan Arseneau, Nicola Gentile Fusillo, JJ Hermes, Carles Badenes , Priyanka Chakraborty, Boris T. Gänsicke i Stephen P. Schmidt, 18 grudnia 2024 r., Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad8ddc
Inni autorzy to Vedant Chandra i Priyanka Chakraborty z Centrum Astrofizyki | Harvarda i Smithsona; Gautham Adamane Pallathadka, Stefan Arseneau i Stephen P. Schmidt z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa; Nicola Gentile Fusillo z Università degli Studi di Trieste; JJ Hermes z Uniwersytetu Bostońskiego; Carles Badenes z Uniwersytetu w Pittsburghu; i Boris T. Gänsicke z Uniwersytetu w Warwick
Badania te były wspierane przez program stypendialny National Science Foundation Graduate Research Fellowship w ramach grantu nr 679DGE2139757, stypendium Peirce Fellowship na Uniwersytecie Harvarda, nagrodę prezydenta Johnsa Hopkinsa Frontier Award, grant zalążkowy Instytutu JHU Institute for Data Intensive Engineering and Science, fundację Johns Hopkins Nagroda za badania licencjackie rektora, Fundacja Alfreda P. Sloana i Fundacja Heising-Simons.
Teleskopy Sloan Digital Sky Survey znajdują się w Obserwatorium Apache Point, finansowanym przez Astrophysical Research Consortium i obsługiwanym przez New Mexico State University, oraz w Obserwatorium Las Campanas, obsługiwanym przez Instytut Nauki Carnegie. Finansowanie Konsorcjum ds. Analizy Przetwarzania Danych Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej zostało zapewnione przez instytucje krajowe uczestniczące w Wielostronnym Porozumieniu Gaia.
