Astronomen hebben een paar sterren ontdekt die in slechts 51 minuten om elkaar heen cirkelen, wat de snelste baan is die ooit in zo'n paar is waargenomen. Het systeem heet ZTF J1813+4251 en is een voorbeeld van een cataclysmische variabele – “een opstelling bestaande uit een ster in een krappe baan rond een dode ster die een witte dwerg wordt genoemd.
Terwijl de twee stellaire objecten in een cataclysmische variabele energie verliezen door de emissie van zwaartekrachtgolven, worden ze dichter bij elkaar getrokken en begint de witte dwerg zich te ‘voeden’ met de zonachtige ‘donor’-ster, waarbij materiaal van het oppervlak wordt gescheurd. ZTF J1813+4251 bevindt zich op 3000 lichtjaar van de aarde en vertegenwoordigt het eerste bewijs dat cataclysmische variabelen voldoende kunnen krimpen om zo'n korte omlooptijd te hebben.
“Met de ontdekking van ZTF J1813+4251 weten we nu dat catastrofale variabelen in zeldzame omstandigheden kunnen krimpen tot een omlooptijd die veel korter is dan 75 minuten”, zegt teamlid en onderzoeker aan de Universiteit van Amsterdam. Jan van Roestel, Vertelde Natuurkunde wereld. “Er waren theoretische voorspellingen dat dit zou kunnen gebeuren, maar de ontdekking van ZTF J1813+4251 bevestigt dit zonder enige twijfel.”
Van Roestel, samen met Kevin Burge van het Massachusetts Institute of Technology en collega's bepaalden ook andere eigenschappen van elke ster, inclusief hun massa en straal.
Klein systeem
‘Het dubbelstersysteem bestaat uit een witte dwerg en een donorster met een massa van respectievelijk ongeveer 0.55 en 0.1 zonsmassa’, zegt Van Roestel. De afstand tussen hen bedraagt slechts 0.4 van de straal van de zon, wat betekent dat het hele dubbelstersysteem gemakkelijk in onze ster zou kunnen passen. Het onderzoek suggereert ook dat deze krappe baan het gevolg is van de extreem hoge dichtheid van de donorster.
De astronomen vonden ZTF J1813+4251 in een enorme verzameling sterren die werden waargenomen door de Zwicky Transient Facility (ZTF), die gebruik maakt van een camera die is bevestigd aan een telescoop van het Palomar Observatory in Californië. ZTF heeft meer dan 1000 hogeresolutiefoto's gemaakt van grote delen van de hemel, waarbij veranderingen in de helderheid van 1 miljard sterren zijn vastgelegd over perioden variërend van dagen tot jaren.
Het team gebruikte een algoritme om in deze gegevens te zoeken naar sterren die binnen een tijdsbestek van minder dan een uur herhaaldelijk leken te flitsen. Dergelijke flitsen kunnen worden veroorzaakt door twee sterren die zich in een nauwe baan om de aarde bevinden, waarbij de ene ster kortstondig het licht van de andere blokkeert – zoals het geval is bij ZTF J1813+4251.
Zeldzaam stadium van evolutie
Uit de waarnemingen bleek ook dat het systeem zich in een interessante fase van zijn evolutie bevindt. “We ontdekten dat deze cataclysmische variabele iets heel bijzonders doet: de overgang van waterstofaanwas naar heliumaanwas”, legt Burdge uit.. “Dit gebeurt omdat de witte dwerg heel dicht bij het einde van zijn leven een oude hoofdreeksster begon op te eten, nadat die ster een aanzienlijke hoeveelheid helium in zijn kern had opgebouwd.”
Nu is de waterstofatmosfeer van de donorster bijna verdwenen, terwijl de witte dwerg de allerlaatste overblijfselen ervan van zijn partner verwijdert. Als gevolg hiervan zal deze donorster binnenkort worden gereduceerd tot een heliumrijke kern, waar zijn witte dwerggenoot van zal blijven smullen. Het team voorspelt ook dat de omlooptijd van dit systeem steeds korter zal worden en dat dit over ongeveer 70 miljoen jaar slechts 20 minuten kan zijn.
‘De toekomst van deze dubbelster wordt bepaald door zwaartekrachtsgolven’, zegt Van Roestel. “De twee sterren zijn groot genoeg en draaien zo dicht om elkaar heen dat ze langzaam hun impulsmoment verliezen door de zwaartekrachtsgolven, waardoor hun omlooptijd en afstand verder afnemen.”
Waarnemingen van zwaartekrachtgolven
In principe zouden deze zwaartekrachtgolven door astronomen kunnen worden gedetecteerd. De huidige zwaartekrachtgolfobservatoria zijn echter niet gevoelig genoeg om dit te doen. In de toekomst zou het onderzoek naar dergelijke systemen kunnen worden gedaan met behulp van de geplande Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die gevoeliger zal zijn dan bestaande zwaartekrachtgolfdetectoren op aarde.
Astronomen verklaren 'verbijsterend' James Webb Space Telescope-beeld van dubbelster
“Deze ontdekking is van groot belang omdat er momenteel een zwaartekrachtgolfdetector in de ruimte wordt gebouwd, genaamd LISA, die zwaartekrachtgolven zal zien van objecten met omloopperioden zoals ZTF J1813+4251”, zegt Burdge. Hij voegt eraan toe dat dit toekomstige onderzoek een sleutelelement zou kunnen invullen dat ontbreekt in ons begrip van hoe sterren evolueren.
“Cataclysmische variabelen zijn werkelijk geweldige laboratoria voor het bestuderen van accretiefysica en binaire evolutie. Leerboeken hebben de neiging zich te concentreren op geïsoleerde sterren zoals de zon. Het punt is dat dat simpele verhaal gewoon niet werkt als je twee sterren in een binair getal naast elkaar plaatst, omdat ze op elkaar inwerken, en dat kan de uitkomst compleet veranderen.”
“Door het bestuderen van deze nauw op elkaar inwerkende dubbelsterren, zoals cataclysmische variabelen, verzamelen we de informatie die nodig is om de leerboeken over de evolutie van sterren af te ronden. We beginnen namelijk de evolutie van stellaire binaire sterren te begrijpen. Dit systeem beantwoordt feitelijk een belangrijke vraag over hoe cataclysmische binaire variabelen ontstaan.”
De waarneming wordt beschreven in Natuur.
