Biały karzeł żyjący na krawędzi

Astronomowie zidentyfikowali białego karła, który jest tak masywny, że może się zapaść.

Astronomowie odkryli najmniejszego i najbardziej masywnego białego karła, jakiego kiedykolwiek zaobserwowano. Tlący się żużel, który powstał w wyniku połączenia się dwóch mniej masywnych białych karłów, jest bardzo ciężki, pakując masę większą niż masa naszego Słońca w ciało o rozmiarach naszego Księżyca, mówi dr Ilaria Caiazzo z Caltech i główna autorka badań opublikowanych w 1 lipca 2021 roku w czasopiśmie Nature. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją, ale tak się składa, że mniejsze białe karły są bardziej masywne. Wynika to z faktu, że białym karłom brakuje spalania jądrowego, które utrzymuje normalne gwiazdy wbrew ich własnej grawitacji, a zamiast tego ich rozmiar jest regulowany przez mechanikę kwantową.

Odkrycia dokonane przy użyciu Zwicky Transient Facility (ZTF), działającego w Obserwatorium Palomar; dwóch hawajskich teleskopów W. M. Kecka na Maunakea oraz należącego do Instytutu Astronomii Uniwersytetu Hawajskiego teleskopu Pan-STARRS na Haleakala, Maui – pomogły scharakteryzować martwą gwiazdę, wraz z 200-calowym teleskopem Hale’a na Palomar, europejskim obserwatorium kosmicznym Gaia oraz należącym do NASA satelitą Swift.

Białe karły są zapadającymi się pozostałościami po gwiazdach, które kiedyś miały masę około 8 mas Słońca, lub mniejszą. Nasze Słońce, po tym, jak za 5 mld lat stanie się czerwonym olbrzymem, ostatecznie pozbędzie się swoich zewnętrznych warstw i skurczy się do postaci zwartego białego karła. Około 97% wszystkich gwiazd staje się białymi karłami.

Podczas, gdy nasze Słońce jest samotne w przestrzeni, nie posiadając gwiezdnego partnera, wiele gwiazd krąży wokół siebie w parach. Gwiazdy starzeją się razem, a jeżeli obie mają mniej niż osiem mas Słońca, obie ewoluują do postaci białych karłów.

Nowe odkrycie jest przykładem tego, co może się wydarzyć po tej fazie. Para białych karłów, które wirują wokół siebie, traci energię w postaci fal grawitacyjnych i ostatecznie łączy się. Jeżeli martwe gwiazdy są wystarczająco masywne, eksplodują jako tzw. supernowe typu Ia. Jeżeli natomiast ich masa jest poniżej pewnego progu, łączą się ze sobą w nowego białego karła, który jest cięższy od każdej z gwiazd macierzystych. Ten proces łączenia się zwiększa pole magnetyczne gwiazdy i przyspiesza jej rotację, w porównaniu do rotacji gwiazd macierzystych.

Astronomowie twierdzą, że nowo odkryty maleńki biały karzeł, nazwany ZTF J1901+1458, obrał tę drugą drogę ewolucji; jego protoplaści połączyli się i wytworzyli białego karła o masie 1,35 razy większej od Słońca. Posiada on ekstremalne pole magnetyczne, prawie milion razy silniejsze niż pole magnetyczne Słońca, i obraca się wokół własnej osi w szaleńczym tempie jednego obrotu na 7 minut (najszybszy znany biały karzeł, nazwany EPIC 228939929, rotuje z prędkością jednego obrotu na 5,3 minuty).

Caiazzo i jej współpracownicy uważają, że połączony biały karzeł może być wystarczająco masywny, aby przekształcić się w gwiazdę neutronową, która zazwyczaj powstaje, gdy gwiazda znacznie masywniejsza od Słońca eksploduje jako supernowa.

To jest wysoce spekulacyjne, ale możliwe, że biały karzeł jest wystarczająco masywny, aby dalej zapadać się w gwiazdę neutronową. Jest on tak masywny i gęsty, że w jego jądrze elektrony są przechwytywane przez protony w jądrach, tworząc neutrony. Ponieważ ciśnienie pochodzące od elektronów przeciwstawia się sile grawitacji, utrzymując gwiazdę w nienaruszonym stanie, jądro zapada się, gdy wystarczająco duża liczbą elektronów zostanie usunięta – mówi Caiazzo.

Jeżeli ta hipoteza powstawania gwiazd neutronowych jest poprawna, może to oznaczać, że znaczna część innych gwiazd neutronowych kształtuje się w ten sposób. Bliskość nowo odnalezionego obiektu (około 130 lat świetlnych od nas) oraz jego młody wiek (około 100 mln lat, lub mniej) wskazują, że podobne obiekty mogą występować częściej w naszej galaktyce.

Magnetyczny i szybki
Biały karzeł został po raz pierwszy dostrzeżony przez kolegę Caiazzo, Kevina Burdge’a, naukowca pracującego w Caltech, który przeszukał obrazy całego nieba uzyskane przez ZTF. Ten konkretny biały karzeł, analizowany w połączeniu z danymi z Gaia, wyróżniał się bardzo dużą masą i szybką rotacją.

Nikt do tej pory nie był w stanie badać krótkotrwałych zjawisk astronomicznych na taką skalę. Wyniki tych wysiłków są oszałamiające – mówi Burdge, kierujący zespołem, który w 2019 roku odkrył parę białych karłów okrążających się nawzajem w co siedem minut.

Następnie zespół przeanalizował widmo gwiazdy za pomocą spektrometru LRIS (Low Resolution Imaging Spectrometer) Obserwatorium Kecka, i właśnie wtedy Caiazzo znalazła sygnatury bardzo silnego pola magnetycznego i zdała sobie sprawę, że ona i jej zespół znaleźli coś bardzo wyjątkowego, jak mówi. Siła pola magnetycznego, w połączeniu z siedmiominutową prędkością obrotową obiektu wykazała, że jest on wynikiem połączenia się dwóch mniejszych białych karłów w jednego.

Dane z satelity Swift, który obserwuje promieniowanie ultrafioletowe, pomogły w ustaleniu rozmiaru i masy białego karła. Mający średnicę 4300 km, ZTF J1901+1458 zdobył tytuł najmniejszego znanego białego karła, wyprzedzając poprzednich rekordzistów RE J0317-853 i WD 1832+089, z których każdy ma średnicę około 5000 km.

Caiazzo ma nadzieję w przyszłości wykorzystać ZTF do znalezienia większej ilości białych karłów takich jak ten, oraz ogólnie do badania całej ich populacji. Jest tak wiele pytań, na które musimy odpowiedzieć, na przykład jakie jest tempo łączenia się białych karłów w galaktyce, i czy jest ono wystarczające do wyjaśnienia liczby supernowych typu Ia? Jak generowane jest pole magnetyczne w tych potężnych obiektach i dlaczego istnieje tak duża różnorodność natężenia pola magnetycznego wśród białych karłów? Znalezienie dużej populacji białych karłów powstałych z fuzji pomoże nam odpowiedzieć na wszystkie te, i nie tylko, pytania.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Keck Observatory

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna nowo odnalezionego małego białego karła, który jest nieco większy od ziemskiego Księżyca. Obydwa ciała są pokazane obok siebie dla porównania rozmiarów. Źródło: Giuseppe Parisi

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *