Η εντύπωση του καλλιτέχνη για την εξέλιξη ενός λευκού νάνου (στο πρώτο πλάνο) και ενός δυαδικού συστήματος πάλσαρ (στο βάθος). Χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο SOAR 4,1 μέτρων στο Cerro Passion στη Χιλή, μέρος του Παναμερικανικού Παρατηρητηρίου Cerro Tololo, ένα πρόγραμμα του NSF NOIRLab, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν το πρώτο παράδειγμα ενός δυαδικού συστήματος που αποτελείται από έναν εξελισσόμενο λευκό νάνο που περιστρέφεται γύρω από ένα πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου, στο το οποίο το πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου βρίσκεται στο τελικό στάδιο της διαδικασίας περιστροφής. Η πηγή, που ανακαλύφθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi, είναι ο «κρίκος που λείπει» στην εξέλιξη τέτοιων δυαδικών συστημάτων. Πίστωση: NOIRLab/NSF/AURA/J. Ευχαριστίες da Silva/Διαστημικός κινητήρας: M. Zamani (NOIRLab του NSF)
Το δυαδικό σύστημα επαληθεύτηκε από το τηλεσκόπιο SOAR που λειτουργεί από το NOIRLab, το πρώτο σύστημα που βρέθηκε στο προτελευταίο στάδιο της ανάπτυξής του.
Χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο SOAR 4,1 μέτρων στη Χιλή, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν το πρώτο παράδειγμα δυαδικού συστήματος όπου ένα αστέρι βρίσκεται στη διαδικασία μετατροπής σε άσπρος νάνος περιστρέφονται γύρω από αστέρι νετρονίων Ο οποίος μόλις τελείωσε να μετατρέπεται σε γρήγορο spinner πάλσαρ. Αυτό το ζεύγος ανακαλύφθηκε αρχικά από το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi και είναι ο «κρίκος που λείπει» στην εξέλιξη τέτοιων δυαδικών συστημάτων.
Μια φωτεινή και μυστηριώδης πηγή ακτίνων γάμμα βρέθηκε ότι είναι ένα ταχέως περιστρεφόμενο αστέρι νετρονίων – που ονομάζεται πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου – που περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι στη διαδικασία της εξέλιξης σε έναν εξαιρετικά χαμηλής μάζας λευκό νάνο. Οι αστρονόμοι αναφέρονται σε αυτούς τους τύπους δυαδικών συστημάτων ως «αράχνες» επειδή ένα πάλσαρ τείνει να «τρώει» τα εξωτερικά μέρη του συντροφικού αστέρα όταν μεταμορφώνεται σε λευκό νάνο.
Το δίδυμο ανακαλύφθηκε από αστρονόμους χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο SOAR 4,1 μέτρων στο Cerro Pachón στη Χιλή, μέρος του Διαμερικανικού Παρατηρητηρίου Cerro Tololo (CTIO), ενός προγράμματος του NSF NOIRLab.
NASAΤο διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi έχει καταλογίσει αντικείμενα στο σύμπαν που παράγουν άφθονες ακτίνες γάμμα από την εκτόξευσή του το 2008, αλλά δεν έχουν ταξινομηθεί όλες οι πηγές ακτίνων γάμμα που ανιχνεύει. Μία από αυτές τις πηγές, την οποία οι αστρονόμοι ονόμασαν 4FGL J1120.0-2204, ήταν η δεύτερη φωτεινότερη πηγή ακτίνων γάμμα σε ολόκληρο τον ουρανό που δεν έχει ακόμη εντοπιστεί.
Αστρονόμοι από τις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Καναδά, με επικεφαλής τον Samuel Swehart του US Naval Research Laboratory στην Ουάσιγκτον, DC, χρησιμοποίησαν το φασματογράφο Goodman στο τηλεσκόπιο SOAR για να προσδιορίσουν την πραγματική ταυτότητα του 4FGL J1120.0-2204. Η πηγή ακτίνων γάμμα, η οποία εκπέμπει επίσης ακτίνες Χ, όπως παρατηρήθηκε από τα διαστημικά τηλεσκόπια Swift της NASA και το XMM-Newton της ESA, έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα δυαδικό σύστημα που αποτελείται από ένα “pulsar χιλιοστού του δευτερολέπτου” που περιστρέφεται εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο, ένας πρόδρομος σε έναν λευκό νάνο πολύ χαμηλής μάζας. Το ζευγάρι βρίσκεται σε απόσταση μεγαλύτερη από 2.600 έτη φωτός μακριά.
«Ο χρόνος που δόθηκε στο MSU στο τηλεσκόπιο SOAR, η θέση του στο νότιο ημισφαίριο και η ακρίβεια και η σταθερότητα του φασματόμετρου Goodman ήταν όλες σημαντικές πτυχές αυτής της ανακάλυψης», λέει ο Swihart.
“Αυτό είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο τα τηλεσκόπια μεσαίου μεγέθους γενικά, και το SOAR ειδικότερα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν στον χαρακτηρισμό εξαιρετικών ανακαλύψεων που έχουν γίνει χρησιμοποιώντας άλλες επίγειες και διαστημικές εγκαταστάσεις”, σημειώνει ο Chris Davis, διευθυντής του NOIRLab. πρόγραμμα στο Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ. «Αναμένουμε από το SOAR να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην αναζήτηση πολλών άλλων χρονικά μεταβαλλόμενων πηγών πολλαπλών μηνυμάτων την επόμενη δεκαετία».
Το οπτικό φάσμα του δυαδικού συστήματος που μετρήθηκε με το φασματόμετρο του Goodman έδειξε ότι το φως από τον κύριο σύντροφο του λευκού νάνου είναι Doppler – μετατοπισμένο εναλλάξ σε κόκκινο και μπλε – υποδεικνύοντας ότι περιφέρεται γύρω από ένα τεράστιο συμπαγές αστέρι νετρονίων κάθε 15 ώρες.
«Τα φάσματα μας επέτρεψαν επίσης να περιορίσουμε την κατά προσέγγιση θερμοκρασία και την επιφανειακή βαρύτητα του συνοδού αστεριού», λέει ο Swihart, η ομάδα του οποίου μπόρεσε να λάβει αυτές τις ιδιότητες και να τις εφαρμόσει σε μοντέλα που περιγράφουν πώς εξελίχθηκαν τα δυαδικά συστήματα αστεριών. Αυτό τους επέτρεψε να προσδιορίσουν ότι ο σύντροφος είναι πρόδρομος ενός εξαιρετικά χαμηλής μάζας λευκού νάνου, με θερμοκρασία επιφάνειας 8.200 βαθμούς Κελσίου (15.000 βαθμούς Φαρενάιτ) και μάζα μόνο 17% της μάζας του Ήλιου.
Όταν ένα αστέρι με μάζα παρόμοια με τον Ήλιο ή μικρότερη φτάσει στο τέλος της ζωής του, το υδρογόνο που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία των διεργασιών πυρηνικής σύντηξης στον πυρήνα του θα εξαντληθεί. Για λίγο, το ήλιο παίρνει το προβάδισμα και ενισχύει το αστέρι, προκαλώντας το να συστέλλεται και να θερμαίνεται, με αποτέλεσμα να διαστέλλεται και να εξελίσσεται σε έναν κόκκινο γίγαντα εκατοντάδων εκατομμυρίων χιλιομέτρων σε μέγεθος. Τελικά, τα εξωτερικά στρώματα αυτού του αστεριού θα μπορούσαν να συσσωρευτούν σε ένα δυαδικό σύντροφο και η πυρηνική σύντηξη θα σταματήσει, αφήνοντας πίσω του έναν λευκό νάνο περίπου στο μέγεθος της Γης και φτύσιμο σε θερμοκρασίες άνω των 100.000 βαθμών Κελσίου (180.000 βαθμούς Φαρενάιτ).
Ο κύριος λευκός νάνος στο σύστημα 4FGL J1120.0-2204 δεν έχει ακόμη τελειώσει την εξέλιξη του. «Αυτή τη στιγμή είναι διογκωμένο και η ακτίνα του είναι περίπου πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή των συνηθισμένων λευκών νάνων παρόμοιας μάζας», λέει ο Swihart. «Θα συνεχίσει να ψύχεται και να συρρικνώνεται, και σε περίπου δύο δισεκατομμύρια χρόνια, θα μοιάζει πανομοιότυπο με πολλούς από τους λευκούς νάνους πολύ χαμηλής μάζας που ήδη γνωρίζουμε».
Τα πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου περιστρέφονται εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Περιστρέφεται με τη συσσώρευση υλικού από έναν σύντροφο, στην προκειμένη περίπτωση από ένα αστέρι που έχει γίνει λευκός νάνος. Τα περισσότερα πάλσαρ του χιλιοστού του δευτερολέπτου εκπέμπουν ακτίνες γάμμα και ακτίνες Χ, συχνά όταν αστρικοί άνεμοι, ένα ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων που προέρχονται από ένα περιστρεφόμενο αστέρι νετρονίων, συγκρούονται με υλικό που εκπέμπεται από ένα συνοδό αστέρι.
Είναι γνωστοί περίπου 80 λευκοί νάνοι πολύ χαμηλής μάζας, αλλά «αυτός είναι ο πρώτος προάγγελος ενός λευκού νάνου πολύ χαμηλής μάζας που ανακαλύφθηκε πιθανό να περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι νετρονίων», λέει ο Swihart. Έτσι, το 4FGL J1120.0-2204 είναι μια μοναδική ματιά στο τέλος αυτής της διαδικασίας ποδηλασίας. Όλα τα άλλα δυαδικά νάνοι και πάλσαρ που έχουν ανακαλυφθεί έχουν παρακάμψει τη φάση περιστροφής.
«Η συνέχιση της φασματοσκοπίας με το τηλεσκόπιο SOAR, το οποίο στοχεύει άσχετες πηγές ακτίνων γάμμα Fermi, μας επέτρεψε να δούμε ότι ο σύντροφος περιφερόταν γύρω από κάτι», λέει ο Swihart. «Χωρίς αυτές τις παρατηρήσεις, δεν θα μπορούσαμε να βρούμε αυτό το συναρπαστικό σύστημα».
Αναφορά: “4FGL J1120.0-2204: Ένα μοναδικό δυαδικό φωτεινό αστέρι νετρονίων με ακτίνες γάμμα με έναν πολύ χαμηλό πρωτεύοντα λευκό νάνο” από τον Samuel J. Quach, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, Astrophysical Journal.
arXiv: 2201.03589
Η ομάδα αποτελούνταν από τους Samuel J. Swihart (Βοηθός Έρευνας στο Εθνικό Συμβούλιο Ερευνών, Εθνική Ακαδημία Επιστημών και Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο των ΗΠΑ, Ουάσιγκτον, DC), Jay Strader (Κέντρο Εντατικών Αστρονομικών Δεδομένων και Τομέας Χρόνου, Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας, Μίσιγκαν State University), Elias Eddy (Department of Physics, McGill University, Καναδάς), Laura Shumyuk (McGill Space Institute, McGill University, Canada), Christine C. Daege (Ινστιτούτο McGill και Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο McGill, Καναδάς), Adam Kawash (Intensive Data Center and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Kirill F. Sokolovsky (Centre for Intensive Data and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University) και Elizabeth C. Ferrara (Τμήμα Αστρονομίας του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ, και το Κέντρο Εξερεύνησης και Διαστημικών Μελετών (CRESST) στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA).