Artist’s impression van de evolutie van een witte dwerg (op de voorgrond) en een pulsar binair systeem (op de achtergrond). Met behulp van de 4,1-meter SOAR-telescoop op Cerro Passion in Chili, onderdeel van het Cerro Tololo Pan-American Observatory, een programma van NSF NOIRLab, ontdekten astronomen het eerste voorbeeld van een binair systeem bestaande uit een evoluerende witte dwerg die in een baan om een milliseconde pulsar draait, in waarbij de millisecondepulsar zich in de laatste fase van het rotatieproces bevindt. De bron, ontdekt door de Fermi Space Telescope, is de “missing link” in de evolutie van dergelijke binaire systemen. Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J Dankbetuiging da Silva/Spaceengine: M. Zamani (NSF’s NOIRLab)
Het binaire systeem werd onderzocht door de SOAR-telescoop van NOIRLab, het eerste systeem dat in de voorlaatste fase van zijn ontwikkeling werd gevonden.
Met behulp van de 4,1-meter SOAR-telescoop in Chili hebben astronomen het eerste voorbeeld ontdekt van een dubbelstersysteem waarin een ster aan het transformeren is in witte dwerg ronddraaien neutronenster Dat is net een snelle spinner geworden pulsar. Dit paar werd oorspronkelijk ontdekt door de Fermi Gamma Ray Space Telescope en is de “ontbrekende schakel” in de evolutie van dergelijke binaire systemen.
Een heldere en mysterieuze bron van gammastraling is een snel roterende neutronenster – een millisecondester genoemd – die in een baan rond een ster draait terwijl hij evolueert naar een extreem lage massa witte dwerg. Astronomen noemen dit soort binaire systemen “spinnen”, omdat een pulsar de neiging heeft om de buitenste delen van de begeleidende ster te “eten” wanneer deze in een witte dwerg verandert.
Het duo werd ontdekt door astronomen met behulp van de 4,1-meter SOAR-telescoop op Cerro Pachón in Chili, onderdeel van de Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), een programma van NSF NOIRLab.
NASADe Fermi Gamma-Ray Space Telescope heeft sinds de lancering in 2008 objecten in het universum gecatalogiseerd die overvloedige gammastraling produceren, maar niet alle gammastralingsbronnen die hij detecteert, zijn geclassificeerd. Een van deze bronnen, door astronomen 4FGL J1120.0-2204 genoemd, was de op één na helderste bron van gammastraling aan de hele hemel die nog moest worden geïdentificeerd.
Astronomen uit de Verenigde Staten en Canada, onder leiding van Samuel Swehart van het US Naval Research Laboratory in Washington, DC, gebruikten de Goodman Spectrograph op de SOAR-telescoop om de ware identiteit van 4FGL J1120.0-2204 te bepalen. De gammastralingsbron, die ook röntgenstraling uitzendt, zoals waargenomen door NASA’s Swift-ruimtetelescopen en de XMM-Newton van de European Space Agency, is een binair systeem gebleken dat bestaat uit een “millisecondepulsar” die honderden keren per seconde ronddraait, en Inleiding tot een witte dwerg met een zeer lage massa. Het paar bevindt zich op meer dan 2.600 lichtjaar afstand.
“De tijd die is toegewezen aan MSU op de SOAR-telescoop, de locatie op het zuidelijk halfrond en de nauwkeurigheid en stabiliteit van de Goodman-spectrometer waren allemaal belangrijke aspecten van deze ontdekking”, zegt Swihart.
“Dit is een geweldig voorbeeld van hoe middelgrote telescopen in het algemeen, en SOAR in het bijzonder, kunnen worden gebruikt om buitengewone ontdekkingen te helpen karakteriseren die zijn gedaan met behulp van andere terrestrische en ruimtegebaseerde faciliteiten”, merkt Chris Davis op, directeur van het NOIRLab programma bij de Amerikaanse National Science Foundation. “We verwachten dat SOAR het komende decennium een cruciale rol zal spelen bij het nastreven van vele andere tijdsafhankelijke bronnen met meerdere berichten.”
Het optische spectrum van het binaire systeem gemeten door Goodman’s spectrometer toonde aan dat het licht van de metgezel van de primaire witte dwerg Doppler is – afwisselend verschoven naar rood en blauw – wat aangeeft dat het elke 15 uur rond een massieve compacte neutronenster draait.
“De spectra stelden ons ook in staat om de geschatte temperatuur en oppervlaktezwaartekracht van de begeleidende ster te beperken”, zegt Swihart, wiens team deze eigenschappen kon nemen en toepassen op modellen die beschrijven hoe dubbelstersystemen evolueerden. Hierdoor konden ze vaststellen dat de metgezel een voorloper is van een extreem lage massa witte dwerg, met een oppervlaktetemperatuur van 8.200 graden Celsius (15.000 graden Fahrenheit) en een massa van slechts 17% van de massa van de zon.
Wanneer een ster met een massa die vergelijkbaar is met de zon of minder het einde van zijn leven bereikt, zal de waterstof die wordt gebruikt om kernfusieprocessen in de kern van brandstof te voorzien, opraken. Een tijdje neemt helium het voortouw en versterkt het de ster, waardoor deze krimpt en opwarmt, waardoor zijn expansie en evolutie tot een rode reus van honderden miljoenen kilometers groot wordt geduwd. Uiteindelijk zouden de buitenste lagen van deze ballonvarende ster zich kunnen ophopen op een dubbelster en zou de kernfusie stoppen, een witte dwerg achterlatend die ongeveer zo groot is als de aarde en uitspuugt bij temperaturen van meer dan 100.000 graden Celsius (180.000 graden Fahrenheit).
De primaire witte dwerg in het 4FGL-systeem J1120.0-2204 is nog niet klaar met evolueren. “Het puilt momenteel uit en zijn straal is ongeveer vijf keer groter dan die van gewone witte dwergen met een vergelijkbare massa”, zegt Swihart. “Het zal blijven afkoelen en krimpen, en over ongeveer twee miljard jaar zal het er identiek uitzien als veel van de zeer lichte witte dwergen die we al kennen.”
Milliseconde pulsars roteren honderden keren per seconde. Het wordt gesponnen door materiaal te verzamelen van een metgezel, in dit geval van een ster die een witte dwerg is geworden. De meeste pulsars van milliseconden zenden gamma- en röntgenstraling uit, vaak wanneer stellaire winden, een stroom geladen deeltjes afkomstig van een roterende neutronenster, botsen met materiaal dat wordt uitgezonden door een begeleidende ster.
Er zijn ongeveer 80 witte dwergen met een zeer lage massa bekend, maar “dit is de eerste voorbode van een witte dwerg met een zeer lage massa die is ontdekt en die waarschijnlijk in een baan om een neutronenster zal draaien”, zegt Swihart. 4FGL J1120.0-2204 is dus een unieke blik op het einde van dit fietsproces. Alle andere dwerg- en pulsar-binaries die zijn ontdekt, hebben de draaiende fase omzeild.
“Door spectroscopie voort te zetten met de SOAR-telescoop, die zich richt op niet-verwante Fermi-gammastralingsbronnen, konden we zien dat de metgezel ergens in een baan ronddraaide”, zegt Swihart. “Zonder deze waarnemingen hadden we dit opwindende systeem niet kunnen vinden.”
Referentie: “4FGL J1120.0-2204: Een unieke binaire gammastraling heldere neutronenster met een zeer lage primaire witte dwerg” door Samuel J. Quach, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, Astrofysisch tijdschrift.
arXiv: 2201.03589
Het team bestond uit Samuel J. Swihart (Research Assistant bij de National Research Council, National Academy of Sciences en US Naval Research Laboratory, Washington, DC), Jay Strader (Intensive Astronomical Data Center and Time Domain, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Elias Aydi (Department of Physics, McGill University, Canada), Laura Chomiuk (McGill Space Institute, McGill University, Canada), Kristen C. Dage (McGill Space Institute and Department of Physics, McGill University, Canada), Adam Kawash (Center for Intensive Data and Field Astronomy Chronology, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Kirill F. Sokolovsky (Centre for Intensive Data and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University) en Elizabeth C. Ferrara (University of Maryland’s Department of Astronomy, en het Center for Exploration and Space Studies (CRESST) bij NASA’s Goddard Space Flight Center).
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
