Znaleziono układ kataklizmiczny o najkrótszej orbicie

Prawie połowa gwiazd w naszej Galaktyce jest pojedyncza. Druga połowa to gwiazdy znajdujące się w układach podwójnych i wielokrotnych, o orbitach tak ciasnych, że niektóre z nich mogłyby się zmieścić między Ziemią a Księżycem.

Zespół astronomów odkrył teraz układ podwójny, czyli parę gwiazd o niezwykle krótkiej orbicie, które wydają się okrążać siebie nawzajem co 51 minut. Układ ten należy do rzadkiej klasy układów podwójnych znanych jako „zmienne kataklizmiczne”, w których gwiazda podobna do naszego Słońca krąży wokół białego karła – gorącego, gęstego jądra wypalonej gwiazdy.

Zmienna kataklizmiczna pojawia się, gdy dwie gwiazdy zbliżają się do siebie na przestrzeni miliardów lat, powodując, że biały karzeł zaczyna akreować, czyli pochłaniać materię ze swojego gwiezdnego towarzysza. Proces ten może powodować olbrzymie, zmienne błyski światła, które wieki temu astronomowie uznali za efekt jakiegoś nieznanego kataklizmu.

Nowo odkryty układ, któremu zespół nadał nazwę ZTF J1813+4251, jest zmienną kataklizmiczną o najkrótszej z dotychczas wykrytych orbit. W przeciwieństwie do innych tego typu układów obserwowanych w przeszłości, astronomowie uchwycili tę zmienną kataklizmiczną w momencie, gdy gwiazdy wielokrotnie się zaćmiewały, co pozwoliło zespołowi na precyzyjne zmierzenie właściwości każdej z gwiazd.

Mając te pomiary, badacze przeprowadzili symulacje tego, co układ prawdopodobnie robi dzisiaj i jak powinien ewoluować przez następne setki milionów lat. Doszli do wniosku, że gwiazdy są obecnie w fazie przejściowej, a gwiazda podobna do Słońca krążyła i „oddawała” wiele ze swojej wodorowej atmosfery żarłocznemu białemu karłowi. Gwiazda podobna do Słońca zostanie w końcu pozbawiona gęstego, bogatego w hel jądra. Za kolejne 70 milionów lat gwiazdy zbliżą się do siebie, a ich skrajnie krótka orbita będzie wynosiła zaledwie 18 minut, zanim składniki zaczną się rozszerzać i oddalać od siebie.

Dziesiątki lat temu astronomowie przewidywali, że takie zmienne kataklizmiczne powinny przejść na skrajnie krótkie orbity. Po raz pierwszy taki układ przejściowy został zaobserwowany bezpośrednio.

To rzadki przypadek, w którym złapaliśmy jeden z tych układów w akcie przejścia z akrecji wodoru na akrecję helu – mówi Kevin Burdge z MIT. Naukowcy przewidywali, że te obiekty powinny przejść w skrajnie krótkie orbity i przez długi czas dyskutowano, czy mogą one być wystarczająco krótkie, aby emitować wykrywalne fale grawitacyjne. To odkrycie kładzie temu kres.

Przeszukiwanie nieba
Astronomowie odkryli nowy układ w olbrzymim katalogu gwiazd obserwowanych przez Zwicky Transient Facility (ZTF), przegląd wykorzystujący kamerę przymocowaną do teleskopu w Obserwatorium Palomar w Kalifornii, do robienia wysokiej rozdzielczości zdjęć szerokich połaci nieba.

W ramach przeglądu wykonano ponad 1000 zdjęć każdej z ponad miliarda gwiazd na niebie, rejestrując zmieniającą się jasność każdej z nich na przestrzeni dni, miesięcy i lat.

Burdge przejrzał katalog, szukając sygnałów układów o skrajnie krótkich orbitach, których dynamika może być tak ekstremalna, że powinny dawać dramatyczne rozbłyski światła i emitować fale grawitacyjne.

Fale grawitacyjne pozwalają nam badać Wszechświat w zupełnie nowy sposób – mówi Burdge, który przeszukuje niebo w poszukiwaniu nowych źródeł fal grawitacyjnych.

Do tego nowego badania Burdge przejrzał dane ZTF w poszukiwaniu gwiazd, które wydawały się migać wielokrotnie, z okresem krótszy niż godzina – częstotliwość zwykle sygnalizująca układ co najmniej dwóch blisko orbitujących obiektów, z których jeden przechodzi przed drugim i na krótko blokuje jego światło.

Użył on algorytmu do odsiewu ponad 1 miliarda gwiazd, z których każda została zarejestrowana na ponad 1000 zdjęć. Algorytm odsiał około 1 miliarda gwiazd, które wydawały się migać co około godzinę. Burdge szukał wśród nich sygnałów o szczególnym znaczeniu. Jego poszukiwania skupiły się na ZTF J1813+4251 – układzie znajdującym się około 3000 lat świetlnych od Ziemi, w konstelacji Herkulesa.

Gęsty rdzeń
Zespół Burdge badał układ dalej, korzystając z Obserwatorium W.M. Keck na Hawajach i Gran Telescopio Canarias w Hiszpanii. Odkryli, że układ był wyjątkowo „czysty”, co oznacza, że mogli wyraźnie zobaczyć, jak jego światło zmienia się z każdym zaćmieniem. Dzięki takiej przejrzystości byli w stanie precyzyjnie zmierzyć masę i promień każdego obiektu, a także ich okres orbitalny.

Stwierdzili, że pierwszy obiekt był prawdopodobnie białym karłem mającym 1/100 wielkości Słońca i około połowy jego masy. Drugim obiektem była gwiazda podobna do Słońca w pobliżu końca swojego życia, mająca 1/10 rozmiaru i masy Słońca (mniej więcej wielkości Jowisza). Gwiazdy te również wydawały się orbitować wokół siebie co 51 minut.

A jednak coś nie do końca się zgadzało.

Ta jedna gwiazda wyglądała jak Słońce, ale Słońce nie może zmieścić się na orbicie krótszej niż osiem godzin – co tu się dzieje? – mówi Burdge.

Wkrótce znalazł wyjaśnienie: prawie 30 lat temu naukowcy potwierdzili, że układy ze skrajnie krótką orbitą powinny istnieć jako zmienne kataklizmiczne. Gdy biały karzeł okrąża gwiazdę podobną do Słońca i pochłania jej lekki wodór, gwiazda podobna do Słońca powinna się wypalić, pozostawiając helowe jądro – pierwiastek, który jest gęstszy od wodoru i wystarczająco ciężki, by utrzymać martwą gwiazdę na ciasnej, skrajnie krótkiej orbicie.

Burdge zdał sobie sprawę, że ZTF J1813+4251 jest prawdopodobnie zmienną kataklizmiczną, w akcie przejścia z ciała bogatego w wodór do bogatego w hel. Odkrycie to zarówno potwierdza przewidywania sprzed 30 lat, jak i to, że ta zmienna kataklizmiczna ma najkrótszą do tej pory wykrytą orbitę.

Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Nature 5 października 2022 roku.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
MIT

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna pokazująca białego karła (po prawej) okrążającego gwiazdę podobną do Słońca (po lewej) na skrajnie krótkiej orbicie, tworzące kataklizmiczny układ podwójny. Źródło: M. Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.