Astronomowie zidentyfikowali 21 odległych gwiazd neutronowych na orbitach podwójnych z gwiazdami podobnymi do Słońca, co zostało odkryte wyłącznie na podstawie ich efektów grawitacyjnych. Odkrycia te, ułatwione dzięki misji Gaia, sugerują złożoność teorii powstawania gwiazd podwójnych, biorąc pod uwagę ich nieoczekiwane przetrwanie po zdarzeniach supernowych. Źródło: SciTechDaily.com
Nowe obserwacje ujawniają gwiazdy neutronowe w parach z gwiazdami takimi jak nasze Słońce.
Większość gwiazd w naszym wszechświecie występuje parami. Choć nasze Słońce jest samotnikiem, wiele gwiazd podobnych do naszego Słońca krąży wokół podobnych gwiazd, podczas gdy mnóstwo innych egzotycznych par gwiazd i kosmicznych kul zasypuje wszechświat. Na przykład czarne dziury często krążą wokół siebie. Jedno połączenie, które okazało się dość rzadkie, to połączenie gwiazdy podobnej do Słońca i martwej gwiazdy zwanej a gwiazda neutronowa.
Astronomowie pod kierownictwem Kareema El-Badry’ego z Caltech odkryli teraz coś, co wygląda na 21 gwiazd neutronowych krążących w układach podwójnych z gwiazdami takimi jak nasze Słońce. Gwiazdy neutronowe to gęste, wypalone jądra masywnych gwiazd, które eksplodowały. Same w sobie są bardzo słabe i zwykle nie można ich bezpośrednio wykryć. Są cięższe od gwiazd podobnych do Słońca, ale oba obiekty krążą wokół siebie wokół wspólnego środka masy. Kiedy gwiazdy neutronowe krążą po orbicie, przyciągają gwiazdy podobne do Słońca, powodując, że ich towarzysze przemieszczają się tam i z powrotem po niebie. Wykorzystując misję Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, astronomom udało się uchwycić te charakterystyczne wahania i odkryć nową populację ciemnych gwiazd neutronowych.
Rola Gai w badaniach astrofizycznych
„Gaia stale skanuje niebo i mierzy wahania ponad miliarda gwiazd, więc szanse na znalezienie nawet bardzo rzadkich obiektów są duże” – mówi El-Badry, adiunkt astronomii w Caltech i adiunkt w Max Instytut Astronomii Plancka w Niemczech.
Nowe badanie, w którym bierze udział zespół współautorów z całego świata, zostało opublikowane 15 lipca w Otwarty dziennik astrofizyki. Dane z kilku teleskopów naziemnych, w tym z Obserwatorium WM Keck na Maunakea na Hawajach; Obserwatorium La Silla w Chile; i Obserwatorium Whipple’a w Arizonie wykorzystano do kontynuowania obserwacji Gai i poznania dodatkowych mas i orbit ukrytych gwiazd neutronowych.
Ta ilustracja przedstawia układ podwójny gwiazd składający się z gęstej gwiazdy neutronowej i normalnej gwiazdy podobnej do Słońca (u góry po lewej). Wykorzystując dane z misji Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, astronomowie odkryli kilka układów takich jak ten, w których oba ciała są znacznie od siebie oddalone. Ponieważ ciała w tych układach są daleko od siebie, a odstępy są średnio 300 razy większe od gwiazdy podobnej do Słońca, gwiazda neutronowa jest w stanie uśpienia — nie kradnie aktywnie masy swojemu towarzyszowi, przez co jest bardzo słaba. Aby znaleźć te ukryte gwiazdy neutronowe, naukowcy wykorzystali obserwacje Gai do poszukiwania wahań w gwiazdach podobnych do Słońca, spowodowanych działaniem szarpiącym krążących wokół nich gwiazd neutronowych. Są to pierwsze gwiazdy neutronowe odkryte wyłącznie dzięki efektom grawitacyjnym. Jak pokazano na tej ilustracji, intensywna grawitacja zwartej gwiazdy neutronowej – która jest około 100 000 razy mniejsza od gwiazdy podobnej do Słońca, a jednocześnie cięższa – wypacza nasz obraz otaczającego ją nieba, tworząc zniekształcony, lustrzany obraz pobliskiej gwiazdy. Źródło: Caltech/R. Zraniony (IPAC)
Charakterystyczne cechy nowych układów gwiazd neutronowych
Chociaż gwiazdy neutronowe były już wcześniej wykrywane na orbitach wokół gwiazd takich jak nasze Słońce, wszystkie te układy były bardziej zwarte. Przy niewielkiej odległości dzielącej oba ciała gwiazda neutronowa (cięższa od gwiazdy podobnej do Słońca) może ukraść masę swojemu partnerowi. Ten proces przenoszenia masy sprawia, że gwiazda neutronowa świeci jasno w zakresie fal rentgenowskich lub radiowych. Dla kontrastu, gwiazdy neutronowe w nowym badaniu znajdują się znacznie dalej od swoich partnerów – w odległości od jednej do trzech razy większej niż odległość między Ziemią a Słońcem.
Oznacza to, że nowo odkryte zwłoki gwiazd są zbyt daleko od swoich partnerów, aby kraść im materiał. Zamiast tego są ciche i ciemne. „To pierwsze gwiazdy neutronowe odkryte wyłącznie dzięki efektom grawitacyjnym” – mówi El-Badry.
Tajemnica powstawania układu podwójnego
Odkrycie jest pewnym zaskoczeniem, ponieważ nie jest jasne, w jaki sposób eksplodująca gwiazda trafia obok gwiazdy takiej jak nasze Słońce.
„Nadal nie mamy pełnego modelu powstawania tych układów podwójnych” – wyjaśnia El-Badry. „Zasadniczo przodek gwiazdy neutronowej powinien był stać się ogromny i wejść w interakcję z gwiazdą typu słonecznego na jej późnym etapie ewolucji”. Ogromna gwiazda przerzuciłaby małą gwiazdę, prawdopodobnie chwilowo ją pochłaniając. Później przodek gwiazdy neutronowej eksplodował jako supernowa, która według modeli powinna rozdzielić układy podwójne, wysyłając gwiazdy neutronowe i gwiazdy podobne do Słońca w przeciwnych kierunkach.
„Odkrycie tych nowych układów pokazuje, że przynajmniej niektóre układy podwójne przetrwają te kataklizmiczne procesy, chociaż modele nie potrafią jeszcze w pełni wyjaśnić, jak to się dzieje” – mówi.
Astronomowie odkryli 21 gwiazd podobnych do naszego Słońca na orbicie wokół gwiazd neutronowych – ciężkie, zwarte pozostałości masywnych gwiazd, które wcześniej eksplodowały. Ukryte gwiazdy neutronowe odkryto wyłącznie dzięki efektom grawitacyjnym. Chociaż gwiazdy neutronowe są cięższe od gwiazd podobnych do Słońca, oba obiekty krążą wokół siebie wokół wspólnego środka masy. Kiedy gwiazdy neutronowe krążą wokół siebie, przyciągają gwiazdy podobne do Słońca, powodując ich wahania. Misja Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej wykryła to wahanie, obserwując orbity gwiazd podobnych do Słońca (żółte kropki) przez okres trzech lat. W tej animacji gwiazdy podobne do Słońca są zielone, a gwiazdy neutronowe (i ich orbity) są fioletowe. Źródło: Caltech/Kareem El-Badry
Możliwości wykrywania Gai i przyszłe badania
Gaia była w stanie znaleźć nieoczekiwanych towarzyszy ze względu na ich szerokie orbity i długie okresy (gwiazdy podobne do Słońca krążą wokół gwiazd neutronowych z okresami od sześciu miesięcy do trzech lat). „Jeśli ciała znajdą się zbyt blisko, wahania będą zbyt małe, aby je wykryć” – mówi El-Badry. „Dzięki Gai jesteśmy bardziej wrażliwi na szersze orbity”. Gaia jest również najbardziej wrażliwa na układy podwójne znajdujące się stosunkowo blisko. Większość nowo odkrytych układów znajduje się w odległości 3000 lat świetlnych od Ziemi – co jest stosunkowo małą odległością w porównaniu na przykład z odległością 100 000 lat świetlnych od Ziemi. rok świetlny-średnica droga Mleczna Galaktyka.
Nowe obserwacje sugerują również, jak rzadkie są takie pary. „Szacujemy, że około jedna na milion gwiazd typu słonecznego krąży wokół gwiazdy neutronowej po szerokiej orbicie” – powiedział.
Rozszerzanie poszukiwań poza gwiazdy neutronowe
El-Badry jest również zainteresowany znalezieniem niewidocznych, uśpionych czarnych dziur na orbicie z gwiazdami podobnymi do Słońca. Korzystając z danych Gaia, odkrył dwie z tych cichych czarnych dziur ukrytych w naszej galaktyce. Jedna, zwana Gaia BH1, jest najbliższą Ziemi znaną czarną dziurą i znajduje się w odległości 1600 lat świetlnych.
„Nie wiemy na pewno, jak to się dzieje czarna dziura powstały też układy podwójne” – mówi El-Badry. „Istnieją wyraźne luki w naszych modelach ewolucji gwiazd podwójnych. Znalezienie większej liczby tych mrocznych towarzyszy i porównanie statystyk ich populacji z przewidywaniami różnych modeli pomoże nam ustalić, w jaki sposób powstają.”
Odniesienie: „A populacja kandydatów na gwiazdy neutronowe na szerokich orbitach z astrometrii Gaia” autorstwa Kareema El-Badry’ego, Hansa-Waltera Rixa, Davida W. Lathama, Sahara Shahafa, Tsevi Mazeha, Allyson Bieryla, Larsa A. Buchhave’a, René Andrae, Natsuko Yamaguchi, Howard Isaacson, Andrew W. Howard, Alessandro Savino i Ilya V. Ilyin, 15 lipca 2024 r., Otwarty dziennik astrofizyki.
DOI: 10.33232/001c.121261
Artykuł został sfinansowany przez Narodową Fundację Nauki, Europejską Radę ds. Badań Naukowych oraz Fundację Gordona i Betty Moore. Inni autorzy Caltech to doktorant Natsuko Yamaguchi i profesor astronomii Andrew Howard. Dodatkowi autorzy to Hans-Walter Rix i René Andrae z Instytutu Astronomii Maxa Plancka, David Latham i Allyson Bieryla z Centrum Astrofizyki/Harvard & Smithsonian, Sahar Shahaf z Instytutu Naukowego Weizmanna, Tsevi Mazeh z Uniwersytetu w Tel Awiwie; Lars Buchhave z Politechniki Duńskiej, Howard Isaacson z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Uniwersytetu Południowego Queensland; Alessandro Savino z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Ilya Ilyin z Instytutu Astrofizyki Leibniza w Poczdamie.
