Astronomer har opdaget et par stjerner, der kredser om hinanden på kun 51 minutter, hvilket er den hurtigste bane, der nogensinde er set i en sådan parring. Systemet er blevet døbt ZTF J1813+4251 og er et eksempel på en kataklysmisk variabel – et arrangement bestående af en stjerne i en stram bane omkring en død stjerne kaldet en hvid dværg.
Da de to stjerneobjekter i en kataklysmisk variabel mister energi ved emission af gravitationsbølger, trækkes de tættere sammen, og den hvide dværg begynder at "føde sig" på den sollignende "donor"-stjerne og river materiale fra dens overflade. ZTF J1813+4251 er placeret 3000 lysår fra Jorden og repræsenterer det første bevis på, at kataklysmiske variabler kan skrumpe nok til at have så kort en omløbsperiode.
"Med opdagelsen af ZTF J1813+4251 ved vi nu, at kataklysmiske variabler i sjældne tilfælde kan skrumpe til en omløbsperiode meget kortere end 75 minutter," siger teammedlem og forsker ved University of Amsterdam. Jan van Roestel, Fortalte Fysik verden. "Der var teoretiske forudsigelser om, at dette kunne ske, men opdagelsen af ZTF J1813+4251 bekræfter dette uden tvivl."
Van Roestel sammen med Kevin Burdge fra Massachusetts Institute of Technology og kolleger bestemte også andre egenskaber for hver stjerne - herunder deres masser og radier.
Lille system
"Det binære system består af en hvid dværg og en donorstjerne med en masse på henholdsvis omkring 0.55 og 0.1 solmasser," siger van Roestel. Afstanden mellem dem er kun 0.4 af Solens radius, hvilket betyder, at hele det binære system nemt kunne passe ind i vores stjerne. Forskningen tyder også på, at denne tætte bane er resultatet af donorstjernens ekstremt høje tæthed.
Astronomerne fandt ZTF J1813+4251 i en stor samling stjerner observeret af Zwicky Transient Facility (ZTF), som bruger et kamera, der er knyttet til et teleskop ved Palomar Observatory i Californien. ZTF har taget mere end 1000 billeder i høj opløsning af brede områder af himlen, der fanger ændringer i lysstyrken af 1 milliard stjerner over perioder, der varierer fra dage til år.
Holdet brugte en algoritme til at søge i disse data efter stjerner, der så ud til at blinke gentagne gange inden for en periode på mindre end en time. Sådanne blink kan være forårsaget af to stjerner i en snæver bane, hvor den ene stjerne kortvarigt blokerer lyset fra den anden – som det er tilfældet for ZTF J1813+4251.
Sjældent udviklingsstadium
Observationerne afslørede også, at systemet er i et interessant stadium af dets udvikling. "Vi opdagede, at denne kataklysmiske variabel gør noget helt særligt, og skifter fra brinttilvækst til heliumtilvækst," forklarer Burdge. "Dette sker, fordi den hvide dværg begyndte at spise en gammel hovedsekvensstjerne meget tæt på slutningen af sit liv, efter at den stjerne havde opbygget betydelig helium i sin kerne."
Nu er donorstjernens brintatmosfære næsten væk, og den hvide dværg fjerner de allersidste rester af den fra sin partner. Som følge heraf vil denne donorstjerne snart blive reduceret til en helium-rig kerne, som dens hvide dværg-ledsager fortsat vil nyde. Holdet forudser også, at omløbsperioden for dette system vil fortsætte med at blive kortere, og om omkring 70 millioner år kan den være så kort som 20 minutter.
"Fremtiden for denne dobbeltstjerne er drevet af gravitationsbølger," siger van Roestel. "De to stjerner er massive nok og kredser tæt nok om hinanden til, at de langsomt mister vinkelmomentum gennem gravitationsbølgerne, hvilket får deres omløbsperiode og adskillelse til at falde yderligere."
Gravitationsbølgeobservationer
I princippet kunne disse gravitationsbølger detekteres af astronomer. De nuværende gravitationsbølgeobservatorier er dog ikke følsomme nok til at gøre dette. I fremtiden vil undersøgelsen af sådanne systemer kunne udføres ved hjælp af den planlagte Laser Interferometer Space Antenna (LISA), som vil være mere følsom end eksisterende jordbaserede gravitationsbølgedetektorer.
Astronomer forklarer 'forvirrende' James Webb Space Telescope-billede af en dobbeltstjerne
"Denne opdagelse er en stor sag, fordi der i øjeblikket bygges en gravitationsbølgedetektor, som vil være oppe i rummet, kaldet LISA, som vil se gravitationsbølger fra objekter med omløbsperioder som ZTF J1813+4251," siger Burdge. Han tilføjer, at denne fremtidige undersøgelse kan udfylde et nøgleelement, der mangler i vores forståelse af, hvordan stjerner udvikler sig.
"Kataklysmiske variabler er virkelig gode laboratorier til at studere tilvækstfysik og binær evolution. Lærebøger har en tendens til at fokusere på isolerede stjerner som Solen. Sagen er den, at den simple historie bare ikke virker, hvis man sætter to stjerner i en binær ved siden af hinanden, fordi de vil interagere, og det kan fuldstændig ændre resultatet.”
"Ved at studere disse tæt interagerende binære filer, som kataklysmiske variabler, indsamler vi den information, der er nødvendig for at færdiggøre lærebøgerne om stjernernes evolution. Vi begynder nemlig at forstå stjernernes binære evolution. Dette system besvarer grundlæggende et nøglespørgsmål om, hvordan kataklysmiske variable binære filer dannes."
Observationen er beskrevet i Nature.
