Bylo zjištěno, že tajemný kosmický „pavouk“ je zdrojem silného gama záření

Binární systém byl ověřen dalekohledem SOAR provozovaným společností NOIRLab, prvním systémem nalezeným v předposlední fázi svého vývoje.

Pomocí 4,1metrového dalekohledu SOAR v Chile astronomové objevili první příklad binárního systému, kde se hvězda přeměňuje na bílý trpaslík otáčet se kolem neutronová hvězda Který právě dokončil přeměnu na rychlou rotačku pulsar. Tento pár byl původně objeven Fermiho kosmickým dalekohledem Gamma Ray a je „chybějícím článkem“ ve vývoji takových binárních systémů.

Zjistilo se, že jasným, záhadným zdrojem gama paprsků je rychle rotující neutronová hvězda – nazývaná milisekundový pulsar – obíhající kolem hvězdy v procesu evoluce do extrémně nízké hmotnosti bílého trpaslíka. Astronomové označují tyto typy binárních systémů jako „pavouky“, protože pulsar má tendenci „požírat“ vnější části doprovodné hvězdy, když se přemění na bílého trpaslíka.

Duo bylo objeveno astronomy pomocí 4,1metrového dalekohledu SOAR na Cerro Pachón v Chile, součásti Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), programu NSF NOIRLab.

NASAFermiho kosmický dalekohled Gamma Ray od svého startu v roce 2008 katalogizoval objekty ve vesmíru, které produkují hojné gama záření, ale ne všechny zdroje gama záření, které detekuje, byly klasifikovány. Jeden z těchto zdrojů, který astronomové nazvali 4FGL J1120.0-2204, byl druhým nejjasnějším zdrojem gama záření na celé obloze, který dosud nebyl identifikován.

Astronomové ze Spojených států a Kanady pod vedením Samuela Sweharta z US Naval Research Laboratory ve Washingtonu, DC, použili Goodmanův spektrograf na dalekohledu SOAR k určení skutečné identity 4FGL J1120.0-2204. Ukázalo se, že zdroj gama záření, který také vyzařuje rentgenové záření, jak bylo pozorováno kosmickými dalekohledy NASA Swift a XMM-Newton ESA, je binární systém sestávající z „milisekundového pulsaru“ rotujícího stovkykrát za sekundu, prekurzoru A na velmi nízkohmotného bílého trpaslíka. Dvojice se nachází více než 2600 světelných let daleko.

„Čas přidělený MSU na dalekohledu SOAR, jeho poloha na jižní polokouli a přesnost a stabilita Goodmanova spektrometru byly důležité aspekty tohoto objevu,“ říká Swihart.

„Toto je skvělý příklad toho, jak mohou být středně velké dalekohledy obecně, a SOAR zvláště, použity k charakterizaci mimořádných objevů, které byly učiněny pomocí jiných pozemských a vesmírných zařízení,“ poznamenává Chris Davis, ředitel NOIRLab. program v americké National Science Foundation. „Očekáváme, že SOAR bude hrát klíčovou roli při hledání mnoha dalších časově proměnných zdrojů s mnoha zprávami v průběhu příštího desetiletí.“

Optické spektrum binárního systému měřené Goodmanovým spektrometrem ukázalo, že světlo ze společníka primárního bílého trpaslíka je Dopplerovo – střídavě posunuté do červené a modré – což naznačuje, že obíhá kolem masivní kompaktní neutronové hvězdy každých 15 hodin.

„Spektra nám také umožnila omezit přibližnou teplotu a povrchovou gravitaci doprovodné hvězdy,“ říká Swihart, jehož tým dokázal vzít tyto vlastnosti a aplikovat je na modely popisující, jak se vyvíjely binární hvězdné systémy. To jim umožnilo určit, že společník je předchůdcem extrémně nízké hmotnosti bílého trpaslíka s povrchovou teplotou 8 200 stupňů Celsia (15 000 stupňů Fahrenheita) a hmotností pouze 17 % hmotnosti Slunce.

Když hvězda s hmotností srovnatelnou se Sluncem nebo menší dosáhne konce svého života, dojde v jejím jádru vodík používaný k pohonu jaderné fúze. Na chvíli se helium ujme vedení a posílí hvězdu, což způsobí její smrštění a zahřátí, čímž se její expanze a vývoj posune do rudého obra o velikosti stovek milionů kilometrů. Nakonec by se vnější vrstvy této balonové hvězdy mohly nahromadit na binárním společníkovi a jaderná fúze by se zastavila, zanechala by za sebou bílého trpaslíka o velikosti zhruba jako Země a vyplivla při teplotách přesahujících 100 000 stupňů Celsia (180 000 stupňů Fahrenheita).

Primární bílý trpaslík v systému 4FGL J1120.0-2204 ještě neskončil evoluci. „V současné době je vypouklý a jeho poloměr je asi pětkrát větší než u běžných bílých trpaslíků podobné hmotnosti,“ říká Swihart. „Bude se i nadále ochlazovat a smršťovat a asi za dvě miliardy let bude vypadat stejně jako mnoho bílých trpaslíků s velmi nízkou hmotností, o kterých už víme.“

Milisekundové pulsary rotují každou sekundu stokrát. Roztáčí se nahromaděním materiálu ze společníka, v tomto případě z hvězdy, která se stala bílým trpaslíkem. Většina milisekundových pulsarů vysílá gama a rentgenové záření, často když se hvězdné větry, proud nabitých částic vycházející z rotující neutronové hvězdy, srazí s materiálem emitovaným doprovodnou hvězdou.

Je známo asi 80 bílých trpaslíků s velmi nízkou hmotností, ale „toto je první předzvěst bílého trpaslíka s velmi nízkou hmotností, který byl objeven pravděpodobně na oběžné dráze neutronové hvězdy,“ říká Swihart. 4FGL J1120.0-2204 je tedy jedinečný vzhled na konci tohoto cyklického procesu. Všechny ostatní trpasličí a pulsarové dvojhvězdy, které byly objeveny, fázi rotace obešly.

„Pokračující spektroskopie s dalekohledem SOAR, který se zaměřuje na nesouvisející Fermiho zdroje gama záření, nám umožnila vidět, že společník kolem něčeho obíhá,“ říká Swihart. „Bez těchto pozorování bychom nebyli schopni najít tento vzrušující systém.“

Reference: „4FGL J1120.0-2204: Unikátní gama-paprsková binární jasná neutronová hvězda s velmi nízkým primárním bílým trpaslíkem“ od Samuela J. Quach, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, Astrophysical Journal.
arXiv: 2201.03589

Tým se skládal ze Samuela J. Swiharta (výzkumný asistent v National Research Council, National Academy of Sciences a US Naval Research Laboratory, Washington, DC), Jay Strader (Intensive Astronomical Data Center and Time Domain, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Elias Eddy (Department of Physics, McGill University, Kanada), Laura Shumyuk (McGill Space Institute, McGill University, Kanada), Christine C. Daege (McGill Institute and Department of Physics, McGill University, Kanada), Adam Kawash (Intensive Data Center and Time Domain Astronomy, 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) a Elizabeth C. Ferrara (University of Maryland’s Department of Astronomy a Center for Exploration and Space Studies (CRESST) v Goddard Space Flight Center NASA).