Astronomer oppdager en sjelden ‘svart enke’-binær, med den korteste bane ennå

Blinkingen av en nærliggende stjerne har trukket MIT-astronomer til et nytt og mystisk system 3000 lysår fra Jorden. Den stjernemerkeligheten ser ut til å være en ny “black widow binær” – en raskt spinnende nøytronstjerne, eller pulsar, som sirkler og sakte konsumerer en mindre følgestjerne, slik dens edderkoppdyre navnebror gjør med sin kompis.

Astronomer kjenner til omtrent to dusin sort enke binærfiler i Melkeveien. Denne nyeste kandidaten, kalt ZTF J1406+1222, har den korteste omløpsperioden ennå identifisert, med pulsaren og ledsagerstjerne sirkler rundt hverandre hvert 62. minutt. Systemet er unikt ved at det ser ut til å være vert for en tredje, fjerntliggende stjerne som går i bane rundt de to indre stjernene hvert 10.000.

Denne sannsynligvis trippel svarte enken reiser spørsmål om hvordan et slikt system kunne ha blitt til. Basert på sine observasjoner, foreslår MIT-teamet en opprinnelseshistorie: Som med de fleste svarte enke-binærfiler, oppsto trippelsystemet sannsynligvis fra en tett konstellasjon av gamle stjerner kjent som en kulehop. Denne spesielle klyngen kan ha drevet inn i Melkeveiens sentrum, hvor tyngdekraften til det sentrale sorte hullet var nok til å trekke klyngen fra hverandre mens den trippel svarte enken ble intakt.

“Det er et komplisert fødselsscenario,” sier Kevin Burdge, en Pappalardo postdoktor ved MITs avdeling for fysikk. “Dette systemet har sannsynligvis flytet rundt i Melkeveien lenger enn solen har vært rundt.”

Burdge er forfatteren av en studie som vises i Natur som beskriver teamets oppdagelse. Forskerne brukte en ny tilnærming for å oppdage trippelsystemet. Mens de fleste svarte enke-binærfiler finnes gjennom gamma- og røntgenstrålingen som sendes ut av den sentrale pulsaren, brukte teamet synlig lysog spesifikt blinkingen fra binærens følgestjerne, for å oppdage ZTF J1406+1222.

“Dette systemet er virkelig unikt når det gjelder svarte enker, fordi vi fant det med synlig lys, og på grunn av dets brede følgesvenn, og det faktum at det kom fra det galaktiske sentrum,” sier Burdge. “Det er fortsatt mye vi ikke forstår om det. Men vi har en ny måte å lete etter disse systemene i himmelen på.”

Studiens medforfattere er samarbeidspartnere fra flere institusjoner, inkludert University of Warwick, Caltech, University of Washington, McGill University og University of Maryland.

Dag og natt

Svarte enke-binærfiler drives av pulsarer – raskt spinnende nøytronstjerner som er de kollapsede kjernene til massive stjerner. Pulsarer har en svimlende rotasjonsperiode, snurrer rundt med noen få millisekunders mellomrom, og sender ut glimt av høyenergigamma og røntgenstråler i prosessen.

Normalt spinner pulsarer ned og dør raskt ettersom de brenner av en enorm mengde energi. Men av og til kan en forbipasserende stjerne gi en pulsar nytt liv. Når en stjerne nærmer seg, trekker pulsarens tyngdekraft materiale av stjernen, noe som gir ny energi til å snurre pulsaren opp igjen. Den “resirkulerte” pulsaren begynner deretter å utstråle energi som ytterligere fjerner stjernen, og til slutt ødelegger den.

“Disse systemene kalles svarte enker på grunn av hvordan pulsaren konsumerer tingen som resirkulerte den, akkurat som edderkoppen spiser sin kompis,” sier Burdge.

Hver svart enke binær til dags dato har blitt oppdaget gjennom gamma- og røntgenglimt fra pulsaren. I en første gang kom Burdge over ZTF J1406+1222 gjennom den optiske blinkingen av følgestjernen.

Det viser seg at følgestjernens dagside – siden som alltid vender mot pulsaren – kan være mange ganger varmere enn nattsiden, på grunn av den konstante høyenergistrålingen den mottar fra pulsaren.

“Jeg tenkte, i stedet for å se direkte etter pulsaren, prøv å se etter stjernen som den koker,” forklarer Burdge.

Han resonnerte at hvis astronomer observerte en stjerne hvis lysstyrke endret seg med jevne mellomrom, ville det være et sterkt signal om at den var i en binær med en pulsar.

Stjernebevegelse

For å teste denne teorien så Burdge og kollegene gjennom optiske data tatt av Zwicky Transient Facility, et observatorium basert i California som tar vidfeltsbilder av nattehimmelen. Teamet studerte lysstyrken til stjerner for å se om noen endret seg dramatisk med en faktor på 10 eller mer, på en tidsskala på omtrent en time eller mindre – tegn som indikerer tilstedeværelsen av en ledsagerstjerne som kretser tett rundt en pulsar.

Teamet var i stand til å plukke ut dusin kjente svarte enke-binærfiler, og validerte den nye metodens nøyaktighet. De så en stjerne hvis lysstyrke endret seg med en faktor på 13, hvert 62. minutt, noe som indikerer at den sannsynligvis var en del av en ny svart enke-binær, som de merket ZTF J1406+1222.

De så opp stjernen i observasjoner tatt av Gaia, en romteleskop operert av European Space Agency som holder nøyaktige målinger av posisjonen og bevegelsen til stjerner på himmelen. Når teamet ser tilbake gjennom flere tiår gamle målinger av stjernen fra Sloan Digital Sky Survey, fant teamet at binæren ble fulgt av en annen fjern stjerne. Ut fra deres beregninger så ut til at denne tredje stjernen kretser rundt den indre binæren hvert 10.000. år.

Merkelig nok har astronomene ikke direkte oppdaget gamma- eller røntgenutslipp fra pulsar i binær, som er den typiske måten svarte enker blir bekreftet på. ZTF J1406+1222 regnes derfor som en kandidat for svart enke, som teamet håper å bekrefte med fremtidige observasjoner.

“Det ene vi vet med sikkerhet er at vi ser en stjerne med en dagside som er mye varmere enn nattsiden, og kretser rundt noe hvert 62. minutt,” sier Burdge. “Alt ser ut til å peke på at det er en svart enke-binær. Men det er noen rare ting med det, så det er mulig det er noe helt nytt.”

Teamet planlegger å fortsette å observere det nye systemet, samt bruke den optiske teknikken for å lyse opp flere nøytronstjerner og svarte enker på himmelen.

---

---