Astronomowie odkryli parę gwiazd, które krążą wokół siebie w ciągu zaledwie 51 minut, co jest najszybszą orbitą, jaką kiedykolwiek zaobserwowano w przypadku takiej pary. Układ został nazwany ZTF J1813+4251 i jest przykładem zmiennej kataklizmicznej – „układu składającego się z gwiazdy krążącej po ciasnej orbicie wokół martwej gwiazdy zwanej białym karłem.
Gdy dwa obiekty gwiezdne w zmiennej kataklizmicznej tracą energię w wyniku emisji fal grawitacyjnych, zbliżają się do siebie, a biały karzeł zaczyna „żywić się” podobną do Słońca gwiazdą „dawcy”, wyrywając materię z jej powierzchni. ZTF J1813+4251 znajduje się 3000 lat świetlnych od Ziemi i stanowi pierwszy dowód na to, że zmienne kataklizmiczne mogą kurczyć się na tyle, aby mieć tak krótki okres orbitalny.
„Dzięki odkryciu ZTF J1813+4251 wiemy teraz, że w rzadkich okolicznościach zmienne kataklizmiczne mogą skurczyć się do okresu orbitalnego znacznie krótszego niż 75 minut” – członek zespołu i badacz z Uniwersytetu w Amsterdamie, Jana van Roestela, powiedziała Fizyka Świat. „Istniały teoretyczne przewidywania, że może się to zdarzyć, ale odkrycie ZTF J1813+4251 potwierdza to bez wątpienia.”
Van Roestel wraz z Kevina Burdge’a z Massachusetts Institute of Technology i współpracownicy określili także inne właściwości każdej gwiazdy – w tym jej masy i promienie.
Mały system
„Układ podwójny składa się z białego karła i gwiazdy dawcy o masach odpowiednio około 0.55 i 0.1 masy Słońca” – mówi van Roestel. Odległość między nimi wynosi zaledwie 0.4 promienia Słońca, co oznacza, że cały układ podwójny z łatwością zmieściłby się wewnątrz naszej gwiazdy. Badania sugerują również, że tak wąska orbita jest wynikiem niezwykle dużej gęstości gwiazdy dawcy.
Astronomowie znaleźli ZTF J1813+4251 w ogromnej kolekcji gwiazd obserwowanych przez Zwicky Transient Facility (ZTF), który wykorzystuje kamerę przymocowaną do teleskopu w Obserwatorium Palomar w Kalifornii. ZTF wykonał ponad 1000 zdjęć o wysokiej rozdzielczości dużych obszarów nieba, rejestrując zmiany jasności 1 miliarda gwiazd w okresach od dni do lat.
Zespół wykorzystał algorytm do przeszukania tych danych pod kątem gwiazd, które zdawały się wielokrotnie błyskać w okresie krótszym niż godzina. Takie rozbłyski mogą być spowodowane przez dwie gwiazdy na wąskiej orbicie, przy czym jedna gwiazda na krótko blokuje światło drugiej – jak ma to miejsce w przypadku ZTF J1813+4251.
Rzadki etap ewolucji
Obserwacje wykazały również, że system znajduje się na interesującym etapie swojej ewolucji. „Odkryliśmy, że ta kataklizmiczna zmienna robi coś wyjątkowego, przechodząc od akrecji wodoru do akrecji helu” – wyjaśnia Burdge. „Dzieje się tak, ponieważ biały karzeł zaczął zjadać starą gwiazdę ciągu głównego bardzo pod koniec swojego życia, po tym jak gwiazda zgromadziła w swoim jądrze znaczną ilość helu”.
Teraz wodorowa atmosfera gwiazdy dawcy prawie zniknęła, a biały karzeł pozbawił swojego partnera ostatnie jej pozostałości. W rezultacie ta gwiazda-dawca wkrótce zostanie zredukowana do jądra bogatego w hel, którym będzie nadal żerował jej towarzysz, biały karzeł. Zespół przewiduje również, że okres orbitalny tego układu będzie w dalszym ciągu się skracać i za około 70 milionów lat może wynosić zaledwie 20 minut.
„Przyszłość tej gwiazdy podwójnej kształtowana jest przez fale grawitacyjne” – mówi van Roestel. „Obie gwiazdy są wystarczająco masywne i krążą wokół siebie na tyle blisko, że powoli tracą moment pędu pod wpływem fal grawitacyjnych, co powoduje dalsze zmniejszanie się ich okresu orbitowania i separacji”.
Obserwacje fal grawitacyjnych
W zasadzie astronomowie mogliby wykryć te fale grawitacyjne. Jednak obecne obserwatoria fal grawitacyjnych nie są wystarczająco czułe, aby to zrobić. W przyszłości badania takich systemów można będzie przeprowadzić przy użyciu planowanej anteny kosmicznej z interferometrem laserowym (LISA), która będzie bardziej czuła niż istniejące naziemne detektory fal grawitacyjnych.
Astronomowie wyjaśniają „zaskakujący” obraz gwiazdy podwójnej z Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba
„To odkrycie to wielka sprawa, ponieważ obecnie budowany jest w przestrzeni kosmicznej detektor fal grawitacyjnych o nazwie LISA, który będzie rejestrował fale grawitacyjne z obiektów o okresach orbitalnych, takich jak ZTF J1813+4251” – mówi Burdge. Dodaje, że to przyszłe badanie może uzupełnić kluczowy element, którego brakuje w naszym rozumieniu ewolucji gwiazd.
„Zmienne kataklizmiczne to naprawdę świetne laboratoria do badania fizyki akrecji i ewolucji układów podwójnych. Podręczniki skupiają się zazwyczaj na izolowanych gwiazdach, takich jak Słońce. Rzecz w tym, że ta prosta historia po prostu nie zadziała, jeśli umieścisz dwie gwiazdy w układzie podwójnym obok siebie, ponieważ będą one wchodzić w interakcję, a to może całkowicie zmienić wynik.
„Badając te blisko oddziałujące układy podwójne, takie jak zmienne kataklizmiczne, gromadzimy informacje potrzebne do ukończenia podręczników na temat ewolucji gwiazd. Mianowicie zaczynamy rozumieć ewolucję gwiazd podwójnych. System ten w zasadzie odpowiada na kluczowe pytanie, w jaki sposób tworzą się kataklizmiczne zmienne binarne.
Obserwację opisano w Natura.
