Tajemniczy kosmiczny „pająk” okazał się źródłem potężnych promieni gamma

Układ podwójny został zbadany przez teleskop SOAR obsługiwany przez NOIRLab, pierwszy układ znaleziony na przedostatnim etapie jego rozwoju.

Korzystając z 4,1-metrowego teleskopu SOAR w Chile, astronomowie odkryli pierwszy przykład układu podwójnego, w którym gwiazda jest w trakcie transformacji w biały karzeł kręci się wokół gwiazda neutronowa To właśnie skończyło się zamieniać w szybki spinner pulsar. Para ta została pierwotnie odkryta przez Kosmiczny Teleskop Fermi Gamma Ray i jest „brakującym ogniwem” w ewolucji takich układów podwójnych.

Odkryto, że jasnym i tajemniczym źródłem promieni gamma jest szybko obracająca się gwiazda neutronowa – nazwana gwiazdą milisekundową – krążąca wokół gwiazdy w procesie ewolucji w niezwykle małomasywnego białego karła. Astronomowie nazywają te typy układów podwójnych „pająkami”, ponieważ pulsar ma tendencję do „zjadania” zewnętrznych części gwiazdy towarzyszącej, gdy przekształca się ona w białego karła.

Duet został odkryty przez astronomów za pomocą 4,1-metrowego teleskopu SOAR na Cerro Pachón w Chile, będącego częścią Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), programu NSF NOIRLab.

NASAKosmiczny Teleskop Fermi Gamma-Ray skatalogował obiekty we wszechświecie, które wytwarzają obfite promienie gamma od czasu jego wystrzelenia w 2008 roku, ale nie wszystkie wykryte źródła promieniowania gamma zostały sklasyfikowane. Jedno z tych źródeł, nazwane przez astronomów 4FGL J1120.0-2204, było drugim najjaśniejszym źródłem promieniowania gamma na całym niebie, które nie zostało jeszcze zidentyfikowane.

Astronomowie ze Stanów Zjednoczonych i Kanady, kierowani przez Samuela Sweharta z US Naval Research Laboratory w Waszyngtonie, użyli spektrografu Goodmana na teleskopie SOAR, aby ustalić prawdziwą tożsamość 4FGL J1120.0-2204. Wykazano, że źródło promieniowania gamma, które również emituje promieniowanie rentgenowskie, jak zaobserwowano przez teleskopy kosmiczne NASA Swift i XMM-Newton Europejskiej Agencji Kosmicznej, jest układem podwójnym składającym się z „pulsara milisekundowego” obracającego się setki razy na sekundę. oraz Wprowadzenie do bardzo małomasywnego białego karła. Para znajduje się w odległości ponad 2600 lat świetlnych.

„Czas przeznaczony na MSU na teleskopie SOAR, jego lokalizacja na półkuli południowej oraz dokładność i stabilność spektrometru Goodmana były ważnymi aspektami tego odkrycia” – mówi Swihart.

„To doskonały przykład tego, jak teleskopy średniej wielkości, a w szczególności SOAR, mogą być wykorzystane do scharakteryzowania niezwykłych odkryć dokonanych przy użyciu innych obiektów naziemnych i kosmicznych” – zauważa Chris Davis, dyrektor NOIRLab. program w amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki. „Spodziewamy się, że SOAR odegra kluczową rolę w poszukiwaniu wielu innych, zmieniających się w czasie, wielowiadomościowych źródeł w ciągu następnej dekady”.

Widmo optyczne układu podwójnego zmierzone za pomocą spektrometru Goodmana wykazało, że światło pochodzące od głównego towarzysza białego karła to Doppler – przesunięty na przemian do czerwonego i niebieskiego – co wskazuje, że okrąża on masywną zwartą gwiazdę neutronową co 15 godzin.

„Widma pozwoliły nam również ograniczyć przybliżoną temperaturę i grawitację powierzchniową gwiazdy towarzyszącej” – mówi Swihart, którego zespół był w stanie wykorzystać te właściwości i zastosować je w modelach opisujących ewolucję układów podwójnych gwiazd. To pozwoliło im ustalić, że towarzysz jest prekursorem ekstremalnie małomasywnego białego karła o temperaturze powierzchni 8200 stopni Celsjusza (15 000 stopni Fahrenheita) i masie zaledwie 17% masy Słońca.

Kiedy gwiazda o masie porównywalnej do Słońca lub mniejszej osiągnie koniec swojego życia, wodór używany do napędzania procesów syntezy jądrowej w jej jądrze wyczerpie się. Przez chwilę hel przejmuje inicjatywę i wzmacnia gwiazdę, powodując jej kurczenie się i ogrzewanie, popychając jej ekspansję i ewolucję do czerwonego olbrzyma o wielkości setek milionów kilometrów. W końcu zewnętrzne warstwy tej rozdętej gwiazdy mogą gromadzić się na podwójnym towarzyszu i fuzja jądrowa zatrzymałaby się, pozostawiając białego karła wielkości Ziemi i wypluwającego powietrze w temperaturach przekraczających 100 000 stopni Celsjusza (180 000 stopni Fahrenheita).

Pierwotny biały karzeł w układzie 4FGL J1120.0-2204 nie zakończył jeszcze ewolucji. „Obecnie jest wybrzuszony, a jego promień jest około pięć razy większy niż w przypadku zwykłych białych karłów o podobnej masie” – mówi Swihart. „Będzie nadal ochładzać się i kurczyć, a za około dwa miliardy lat będzie wyglądać identycznie jak wiele bardzo małomasywnych białych karłów, o których już wiemy”.

Pulsary milisekundowe obracają się setki razy na sekundę. Przędzona jest przez gromadzenie materii od towarzysza, w tym przypadku od gwiazdy, która stała się białym karłem. Większość pulsarów milisekundowych emituje promieniowanie gamma i rentgenowskie, często podczas wiatrów gwiazdowych, strumienia naładowanych cząstek emanujących z obracającej się gwiazdy neutronowej, która zderza się z materią emitowaną przez gwiazdę towarzyszącą.

Znanych jest około 80 bardzo małomasywnych białych karłów, ale „jest to pierwszy zwiastun bardzo małomasywnego białego karła odkrytego, który prawdopodobnie krąży wokół gwiazdy neutronowej” – mówi Swihart. Tak więc 4FGL J1120.0-2204 to wyjątkowe spojrzenie na zakończenie tego procesu rowerowego. Wszystkie inne odkryte układy podwójne karłowate i pulsarowe ominęły fazę wirowania.

„Kontynuacja spektroskopii z teleskopem SOAR, który celuje w niepowiązane źródła promieniowania gamma Fermiego, pozwoliła nam zobaczyć, że towarzysz krąży wokół czegoś” – mówi Swihart. „Bez tych obserwacji nie bylibyśmy w stanie znaleźć tego ekscytującego systemu”.

Odniesienie: „4FGL J1120.0-2204: Unikalna podwójna jasna gwiazda neutronowa w promieniowaniu gamma z bardzo niskim pierwotnym białym karłem” Samuela J. Quach, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, Czasopismo Astrofizyczne.
arXiv: 2201.03589

Zespół składał się z Samuela J. Swiharta (asystenta naukowego w National Research Council, National Academy of Sciences i 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 (Wydział Fizyki, McGill University, Kanada), Laura Chomiuk (McGill Space Institute, McGill University, Kanada), Kristen C. Dage (McGill Space Institute and Department of Physics, McGill University, Kanada), Adam Kawash (Centrum Intensive Data and Field Astronomy Chronology, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Kirill F. Sokolovsky (Centrum Intensive Data and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University) i Elizabeth C. Ferrara (Departament Astronomii Uniwersytetu Maryland oraz Centrum Eksploracji i Badań Kosmicznych (CRESST) w NASA Goddard Space Flight Center).