Vit dvärgstjärna med två ansikten gör astronomerna förbryllade – Physics World

Vit dvärgstjärna med två ansikten gör astronomerna förbryllade – Physics World

Tidsstämpel: 19 juli 2023 11:00

Denna konstnärs intryck av den tvåsidiga vita dvärgstjärnan visar stjärnan som en glödande blåvit boll, vars ena sida är mörkare och mer granulär än den andra
Väte och helium: Ett konstnärsintryck av den tvåsidiga vita dvärgstjärnan. (Med tillstånd: K Miller, Caltech/IPAC)

En snabbt roterande vit dvärgstjärna som innehåller två motsatta halvklot – en täckt av väte och den andra av helium – får astronomer att klia sig i huvudet över hur det blev så. Stjärnan, med smeknamnet "Janus" efter den romerska övergångsguden med två ansikten, upptäcktes av Zwicky Transient Facility (ZTF) vid Palomar Observatory i USA, och en möjlig förklaring är att det är resultatet av ett starkt men skevt magnetfält som genereras av sammanslagning av två vita dvärgar.

Vita dvärgar är resterna av solliknande stjärnor som har upphört med kärnreaktioner i deras inre, blåst av sina yttre lager och upplevt gravitationssammandragning av sina kvarvarande kärnor. De resulterande objekten är ungefär lika stora som jorden, men med massan av en stjärna.

Även om vita dvärgar föds varma, svalnar de gradvis när de åldras. Denna kylning påverkar deras struktur. Vid temperaturer över 35,000 35,000 K täcks deras ytor av ett lager av väte som omsluter ett underlager av helium. När yttemperaturen svalnar till 25,000 XNUMX–XNUMX XNUMX K (den exakta temperaturen beror på stjärnans massa) börjar detta heliumskikt att konvektion. Om det övre väteskiktet är tillräckligt tunt kan det försvinna i det rullande heliumet.

Cirka 40 % av vita dvärgar har gjort denna övergång från vätedominans till heliumdominans. Men eftersom övergången normalt sker inom några sekunder, har ingen någonsin sett det hända – förrän kanske nu.

Fast i övergången?

Officiellt betecknad ZTF J203349.8+322901.1 (siffrorna är dess högra uppstignings- och deklinationskoordinater på himlen) och belägen över 1300 ljusår bort, väckte den vita dvärgen Janus uppmärksamhet från astrofysikern vid California Institute of Technology Ilaria Caiazzo på grund av dess snabba förändringar i ljusstyrka. Ytterligare observationer från Palomar och andra anläggningar visade att stjärnan fullbordar en rotation var 15:e minut, under vilken dess ljusstyrka varierar från ett maximum när dess vätetäckta yta pekar mot jorden, till ett minimum när vi ser den motsatta halvklotet täckt av helium.

Frågan är varför? "Vi kanske äntligen har fångat en vit dvärg i färd med att övergå," berättar Caiazzo Fysik värld. Faktum är att Janus, baserat på resultaten av teamet som Caiazzo samlade för att undersöka upptäckten, har fastnat i övergången. På en av dess halvklot verkar heliumkonvektion ha förbrukat vätet, men mystiskt nog verkar detsamma inte ha inträffat på den andra. Skriver in Natur, teamet föreslår att ett tillräckligt starkt magnetfält som är förskjutet från den vita dvärgens centrum kan hämma heliumkonvektion på ena halvklotet och inte på den andra, men denna förklaring är preliminär. Det räcker med att säga, ingen har någonsin sett en vit dvärg av två halvor tidigare.

"Det finns ingen modell som förutsäger detta", säger teammedlem Pier-Emmanuel Treblay, en astronom vid University of Warwick, Storbritannien. "Inom astrofysik, när något är trassligt och behöver finjusteras, anropar människor ofta magnetiska fält, och det här är ett perfekt exempel på det."

Cirka 20 % av vita dvärgar är magnetiska, och vissa har fältstyrkor på upp till 1 miljard Gauss. Som jämförelse är jordens magnetfält en halv Gauss, medan magnetfältets styrka på solens yta är ungefär en Gauss. För Janus uppskattar laget att fältet måste vara 1000–1 miljon Gauss. Alla starkare, och det skulle förvränga stjärnans spektrallinjer.

"För Janus antar vi att det finns ett magnetfält eftersom det annars skulle vara väldigt svårt att förklara den olika sammansättningen på de två ytorna", säger Caiazzo. Men hon tillägger, "Vi vet fortfarande inte varför bara vissa vita dvärgar är magnetiska och var denna enorma mångfald i fältstyrkor kommer ifrån."

En sammanslagning av vit dvärg?

Janus starka och sneda magnetfält, dess snabba rotationshastighet, dess höga massa (mellan 1.20 och 1.27 solmassor) och dess tvåsidiga sammansättning pekar alla på en ganska anmärkningsvärd vit dvärg. För Tremblay indikerar detta att andra faktorer kan spela in. "Det måste finnas något speciellt med den här vita dvärgen förutom ett magnetfält", säger han.

Tremblay spekulerar i att Janus kunde ha bildats genom sammanslagning av två vita dvärgar – en händelse som kunde ha skapat interna magnetiska dynamos. "Den snabba rotationen och magnetfältsgenereringen och asymmetrin pekar alla på binär evolution och en sammanslagning", säger han.

Tremblay är också skeptisk till att magnetfältet är en offset dipol. Den interna magnetfältsstrukturen hos vita dvärgstjärnor är ännu inte väl förstådd, och enligt hans åsikt kan anropande av en förskjuten dipol dölja en högre ordningens magnetfältsgeometri.

"Enligt min mening betyder det att magnetfältet kanske inte är dipolärt," säger Tremblay. ”Istället kan det vara en fyrpol, med fyra stolpar, till exempel. Det betyder inte nödvändigtvis att fältet är förskjutet från mitten.”

Implikationer för avståndsmätningar

När vita dvärgar exploderar som supernovor av typ Ia, tillåter deras välförstådda ljusstyrka astronomer att behandla dem som standardljus – ett viktigt verktyg för att mäta avstånd över kosmos och universums expansionshastighet. Men astronomerna är fortfarande inte säkra på hur många supernovor av typ Ia som uppstår när en enda vit dvärg samlar för mycket materia från en medföljande stjärna och exploderar, och hur många som uppstår på grund av sammanslagning av två vita dvärgar som, när de kombineras, överstiger Chandrasekhar-massan gräns på 1.44 solmassor och explodera.

Om Janus verkligen är produkten av en sammanslagning av två mindre vita dvärgar, kommer att hitta fler exempel på halvövergångna vita dvärgar göra det möjligt för astronomer att begränsa antalet sådana system och hur mycket de kan bidra till populationen av supernovor av typ Ia.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden