Bijna de helft van de sterren in ons sterrenstelsel is solitair zoals de zon. De andere helft bestaat uit sterren die om andere sterren cirkelen, in paren en veelvouden, met banen die zo krap zijn dat sommige stellaire systemen tussen de aarde en de maan zouden kunnen passen.
Astronomen aan het MIT en elders hebben nu een stellaire dubbelster of sterrenpaar ontdekt met een extreem korte baan, die elke 51 minuten om elkaar lijkt te cirkelen. Het systeem lijkt te behoren tot een zeldzame klasse dubbelsterren die bekend staat als een ‘catastrofale variabele’, waarin een ster die lijkt op onze zon strak rond een witte dwerg draait – een hete, dichte kern van een uitgebrande ster.
Een catastrofale variabele treedt op wanneer de twee sterren elkaar naderen, gedurende miljarden jaren, waardoor de witte dwerg begint te groeien of materiaal wegeet van zijn partnerster. Dit proces kan enorme, variabele lichtflitsen afgeven waarvan astronomen eeuwen geleden aannamen dat ze het resultaat waren van een onbekende ramp.
Het nieuw ontdekte systeem, dat het team ZTF J1813+4251 heeft getagd, is een catastrofale variabele met de kortste baan die tot nu toe is gedetecteerd. In tegenstelling tot andere dergelijke systemen die in het verleden zijn waargenomen, vingen de astronomen deze catastrofale variabele op toen de sterren elkaar meerdere keren overschaduwden, waardoor het team de eigenschappen van elke ster nauwkeurig kon meten.
Met deze metingen voerden de onderzoekers simulaties uit van wat het systeem vandaag waarschijnlijk doet en hoe het zich de komende honderden miljoenen jaren zou moeten ontwikkelen. Ze concluderen dat de sterren momenteel in transitie zijn en dat de zonachtige ster rondcirkelt en veel van zijn waterstofatmosfeer “doneert” aan de vraatzuchtige witte dwerg. De zonachtige ster zal uiteindelijk worden uitgekleed tot een overwegend dichte, heliumrijke kern. Over nog eens 70 miljoen jaar zullen de sterren nog dichter bij elkaar komen, met een ultrakorte baan van slechts 18 minuten, voordat ze beginnen uit te zetten en uit elkaar te drijven.
Tientallen jaren geleden voorspelden onderzoekers van het MIT en elders dat dergelijke catastrofale variabelen zouden moeten overgaan naar ultrakorte banen. Dit is de eerste keer dat een dergelijk overgangssysteem rechtstreeks wordt waargenomen.
“Dit is een zeldzaam geval waarin we een van deze systemen hebben betrapt op het overschakelen van waterstof naar heliumaanwas”, zegt Kevin Burdge, een Pappalardo Fellow in MIT’s Department of Physics. “Mensen voorspelden dat deze objecten zouden overgaan naar ultrakorte banen, en er is lang over gedebatteerd of ze kort genoeg zouden kunnen worden om detecteerbare zwaartekrachtgolven uit te zenden. Deze ontdekking maakt daar een einde aan.”
Burdge en collega’s rapporteren hun ontdekking vandaag in Natuur. De co-auteurs van de studie omvatten medewerkers van meerdere instellingen, waaronder het Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics.
Hemel zoeken
De astronomen ontdekten het nieuwe systeem in een enorme catalogus van sterren, waargenomen door de Zwicky Transient Facility (ZTF), een onderzoek dat een camera gebruikt die is bevestigd aan een telescoop in het Palomar Observatory in Californië om foto’s met een hoge resolutie te maken van brede delen van de sterrenhemel. lucht.
Het onderzoek heeft meer dan 1.000 foto’s gemaakt van elk van de meer dan 1 miljard sterren aan de hemel, waarbij de veranderende helderheid van elke ster gedurende dagen, maanden en jaren is vastgelegd.
Burdge doorzocht de catalogus, op zoek naar signalen van systemen met ultrakorte banen, waarvan de dynamiek zo extreem kan zijn dat ze dramatische lichtuitbarstingen zouden moeten afgeven en zwaartekrachtgolven zouden uitzenden.
“Zwaartekrachtsgolven stellen ons in staat het universum op een geheel nieuwe manier te bestuderen”, zegt Burdge, die de lucht afzoekt naar nieuwe bronnen van zwaartekrachtgolven.
Voor deze nieuwe studie zocht Burdge door de ZTF-gegevens naar sterren die herhaaldelijk leken te flitsen, met een periode van minder dan een uur – een frequentie die typisch een systeem signaleert van ten minste twee dicht bij elkaar cirkelende objecten, waarbij de ene de andere kruist en kort zijn licht blokkeren.
Hij gebruikte een algoritme om door meer dan 1 miljard sterren te wieden, die elk in meer dan 1000 afbeeldingen werden vastgelegd. Het algoritme zocht ongeveer 1 miljoen sterren uit die elk uur leken te knipperen. Onder deze keek Burdge vervolgens met het oog naar signalen van bijzonder belang. Zijn zoektocht richtte zich op ZTF J1813+4251 — een systeem dat zich op ongeveer 3000 lichtjaar van de aarde bevindt, in het sterrenbeeld Hercules.
“Dit ding dook op, waar ik elke 51 minuten een zonsverduistering zag gebeuren, en ik zei: OK, dit is absoluut een binair getal”, herinnert Burdge zich.
Een dichte kern
Hij en zijn collega’s concentreerden zich verder op het systeem met behulp van het WM Keck Observatory in Hawaï en de Gran Telescopio Canarias in Spanje. Ze ontdekten dat het systeem uitzonderlijk “schoon” was, wat betekent dat ze bij elke zonsverduistering duidelijk het licht konden zien veranderen. Met zo’n helderheid waren ze in staat om de massa en straal van elk object nauwkeurig te meten, evenals hun omlooptijd.
Ze ontdekten dat het eerste object waarschijnlijk een witte dwerg was, 1/100ste van de grootte van de zon en ongeveer de helft van zijn massa. Het tweede object was een zonachtige ster aan het einde van zijn leven, op een tiende van de grootte en massa van de zon (ongeveer de grootte van Jupiter). De sterren leken ook elke 51 minuten om elkaar heen te draaien.
Toch klopte er iets niet helemaal.
“Deze ene ster leek op de zon, maar de zon past niet in een baan van minder dan acht uur – wat is hier?” zegt Burge.
Hij vond al snel een verklaring: bijna 30 jaar geleden hadden onderzoekers, waaronder MIT-professor emeritus Saul Rappaport, voorspeld dat systemen met ultrakorte banen zouden bestaan als cataclysmische variabelen. Terwijl de witte dwerg rond de zonachtige ster eet en zijn lichte waterstof wegvreet, zou de zonachtige ster moeten uitbranden en een kern van helium achterlaten — een element dat dichter is dan waterstof en zwaar genoeg om de dode ster vast te houden. in een strakke, ultrakorte baan.
Burdge realiseerde zich dat ZTF J1813+4251 waarschijnlijk een catastrofale variabele was, in de overgang van een waterstof- naar een heliumrijk lichaam. De ontdekking bevestigt zowel de voorspellingen van Rappaport en anderen, en is ook de kortste cataclysmische variabele die tot nu toe is gedetecteerd.
“Dit is een speciaal systeem”, zegt Burdge. “We hebben dubbel geluk gehad om een systeem te vinden dat een grote open vraag beantwoordt en een van de mooist gedragende rampzalige variabelen is die we kennen.”
Dit onderzoek werd mede ondersteund door de European Research Council.
