Astronomer har upptäckt ett par stjärnor som kretsar runt varandra på bara 51 minuter, vilket är den snabbaste omloppsbana som någonsin setts i en sådan parning. Systemet har döpts till ZTF J1813+4251 och är ett exempel på en kataklysmisk variabel – ett arrangemang som består av en stjärna i en snäv bana runt en död stjärna som kallas en vit dvärg.
När de två stjärnobjekten i en kataklysmisk variabel förlorar energi genom emission av gravitationsvågor, dras de närmare varandra och den vita dvärgen börjar "mata" den solliknande "donator"-stjärnan och sliter sönder material från dess yta. ZTF J1813+4251 ligger 3000 ljusår från jorden och representerar det första beviset på att kataklysmiska variabler kan krympa tillräckligt för att ha en så kort omloppsperiod.
"Med upptäckten av ZTF J1813+4251 vet vi nu att i sällsynta fall kan kataklysmiska variabler krympa till en omloppsperiod som är mycket kortare än 75 minuter", säger teammedlem och forskare vid universitetet i Amsterdam. Jan van Roestel, Berättade Fysik värld. "Det fanns teoretiska förutsägelser om att detta skulle kunna hända, men upptäckten av ZTF J1813+4251 bekräftar detta utan tvekan."
Van Roestel, tillsammans med Kevin Burdge från Massachusetts Institute of Technology och kollegor bestämde också andra egenskaper hos varje stjärna - inklusive deras massor och radier.
Litet system
"Det binära systemet består av en vit dvärg och en givarstjärna med en massa på cirka 0.55 respektive 0.1 solmassor", säger van Roestel. Avståndet mellan dem är bara 0.4 av solens radie, vilket betyder att hela det binära systemet lätt kan passa in i vår stjärna. Forskningen tyder också på att denna snäva omloppsbana är resultatet av givarstjärnans extremt höga täthet.
Astronomerna hittade ZTF J1813+4251 i en stor samling stjärnor som observerats av Zwicky Transient Facility (ZTF), som använder en kamera kopplad till ett teleskop vid Palomar Observatory i Kalifornien. ZTF har tagit mer än 1000 högupplösta bilder av vida områden på himlen och fångar förändringar i ljusstyrkan hos 1 miljard stjärnor under perioder som varierar från dagar till år.
Teamet använde en algoritm för att söka efter dessa data efter stjärnor som verkade blinka upprepade gånger inom en period på mindre än en timme. Sådana blixtar kan orsakas av två stjärnor i en snäv omloppsbana, där en stjärna kortvarigt blockerar ljuset från den andra – vilket är fallet för ZTF J1813+4251.
Sällsynt utvecklingsstadium
Observationerna avslöjade också att systemet befinner sig i ett intressant skede av sin utveckling. "Vi upptäckte att den här kataklysmiska variabeln gör något väldigt speciellt, och går över från vätetillväxt till heliumtillväxt," förklarar Burdge. "Detta händer eftersom den vita dvärgen började äta en gammal huvudsekvensstjärna mycket nära slutet av sitt liv efter att den stjärnan hade byggt upp betydande helium i sin kärna."
Nu är donatorstjärnans väteatmosfär nästan borta, och den vita dvärgen tar bort de allra sista resterna av den från sin partner. Som ett resultat kommer denna donatorstjärna snart att reduceras till en heliumrik kärna, som dess vita dvärgkamrat kommer att fortsätta att frossa i. Teamet förutspår också att omloppstiden för detta system kommer att fortsätta att förkortas och om cirka 70 miljoner år kan den vara så kort som 20 minuter.
"Framtiden för denna binära stjärna drivs av gravitationsvågor," säger van Roestel. "De två stjärnorna är tillräckligt massiva och kretsar så nära varandra att de sakta förlorar rörelsemängd genom gravitationsvågorna, vilket gör att deras omloppsperiod och separation minskar ytterligare."
Gravitationsvågobservationer
I princip kunde dessa gravitationsvågor upptäckas av astronomer. Men nuvarande gravitationsvågsobservatorier är inte tillräckligt känsliga för att göra detta. I framtiden kan studier av sådana system göras med hjälp av den planerade laserinterferometerns rymdantenn (LISA), som kommer att vara känsligare än befintliga jordbaserade gravitationsvågsdetektorer.
Astronomer förklarar "förbryllande" James Webb rymdteleskopbild av en dubbelstjärna
"Denna upptäckt är en stor sak eftersom det för närvarande byggs en gravitationsvågsdetektor, som kommer att finnas i rymden, kallad LISA, som kommer att se gravitationsvågor från objekt med omloppsperioder som ZTF J1813+4251," säger Burdge. Han tillägger att denna framtida undersökning kan fylla i ett nyckelelement som saknas i vår förståelse av hur stjärnor utvecklas.
"Kataklysmiska variabler är verkligen fantastiska laboratorier för att studera ackretionsfysik och binär evolution. Läroböcker tenderar att fokusera på isolerade stjärnor som solen. Saken är den att den enkla historien bara inte fungerar om du sätter två stjärnor i en binär bredvid varandra, eftersom de kommer att interagera, och det kan helt förändra resultatet.”
"Genom att studera dessa nära interagerande binärer, som kataklysmiska variabler, samlar vi in den information som behövs för att slutföra läroböckerna om stjärnutveckling. Vi börjar nämligen förstå stellar binär evolution. Detta system svarar i grunden på en nyckelfråga om hur kataklysmiska variabla binärer bildas."
Observationen beskrivs i Nature.
