Hvordan formularer Binary Star Systems? Astronomerne løser endelig mysteriet

En spektakulær supernova-eksplosion, mere end en milliard gange lysere end vores sol, markerede fødslen af ​​en neutronstjerne, der bugser sin varme og tætte følgesvend. Nu er disse to tætte rester genstand for at spiral ind i hinanden på omkring en milliard år, og i sidste ende fusionerer og giver nogle af de tungeste kendte elementer i universet.

Eksplosionen opstod i en galakse ligesom vores egen Mælkevej, næsten 920 millioner lysår væk. Et lille teleskop på Palomar observatoriet i Californien opdagede de første fotoner fra supernovaen "iPTF 14gqr" - bare timer efter eksplosionen, da det var mere end 10 gange varmere end solens overflade. Da supernovaens lysstyrke udviklede sig i løbet af de næste to uger, brugte et internationalt team af astronomer dataene til at spore eksplosionens oprindelse til en massiv stjerne med en radius 500 gange solens.

Men det var ikke kun den kæmpe størrelse af stjernen, der gjorde denne opdagelse særligt bemærkelsesværdig. Hvad der var usædvanligt var, at stjernen også syntes at være den letteste af alle kendte eksploderende gigantiske stjerner. Denne massive stjerne var blevet røvet af næsten hele sin masse, måske af en tæt kuglende partner. Da det eksploderede, efterlod det en nyfødt neutronstjerne, der fortsatte med at bane sin ledsager.

Forstå dannelsen af ​​binære stjernesystemer, hvor to super tætte stjerner omløb hinanden har altid været et puslespil. Disse flygtige supernovaer, der giver disse tætte binære stjernesystemer, er både sjældne og svære at finde, fordi de hurtigt vises og forsvinder i himlen - cirka fem gange hurtigere end en typisk supernova.

Denne første observation af en "ultra-strippet" supernova, som mine kolleger og jeg detaljerer i en ny undersøgelse, giver ikke kun indsigt i dannelsen af ​​disse systemer, men afslører også de sidste etaper i livet til disse unikke massive stjerner, der har været plyndret af hele deres masse, før de dør.

Løse en langvarig mysterium

Stjerner, der er født med mere end otte gange solens masse, løber hurtigt ud af brændstof og bukker for tyngdekraften i slutningen af ​​deres liv - kollapser ind på sig selv og eksploderer i en supernova. Når dette sker, er alle stjernens ydre lag - et par gange solens masse - spredt.

Da jeg begyndte at arbejde med min rådgiver, besluttede Mansi Kasliwal som ny kandidatstuderende at studere supernovaer, der hurtigt falmer i lysstyrke. Mined database over begivenheder opdaget af iPTF, jeg stødte på iPTF 14gqr, en hurtigt fading supernova, der blev opdaget mere end et år før, men hvis sande fysiske natur forblev mystisk.

Dataene var forbløffende, fordi vores foreløbige modeller foreslog denne supernova var forårsaget af en enorm massiv stjernes død, men eksplosionen var i sig selv helt uklar. Det udstødte kun en femtedel af solens masse, mens dens energi kun var en tiendedel af en typisk supernova. Hvor var alt det manglende spørgsmål og energi?

Vejledningerne viste, at den eksploderende stjerne må være blevet fjernet af næsten hele sin oprindelige masse før eksplosionen. Men hvad kunne have stjålet så meget fra denne gigantiske stjerne? Måske en usynlig binær companion?

Jeg begyndte at læse om sjældne binære stjernescenarier, da jeg først kom over ideen om "ultra-strippede supernovaer".

Ultra-Stripped Supernovae

Når en massiv stjerne har en tæt og nærliggende binær companion stjerne, kan kompagnistens intense tyngdekraft trække sin intetanende nabo af næsten hele sin masse, før den eksploderer - dermed udtrykket "ultra-strippet."

Den ultra-strippede supernova efterlader en neutronstjerne, et hurtigt spændende tæt stjerneagtigt lig, der indeholder lidt mere end solens masse, der er pakket ind i et område, der er størrelsen af ​​downtown Los Angeles. Denne neutronstjerne er fanget i en tæt bane omkring sin ledsager. Companion er muligvis en anden neutronstjerne, eller endog en hvid dværg eller et sort hul, der blev dannet af en massiv stjerne, der døde flere millioner år før sin ledsager.

Sådanne binære systemer har været et vigtigt område for astrofysisk undersøgelse i flere årtier. Vi har direkte observeret mange sådanne systemer i vores egen galakse med optiske og radioteleskoper. Den første indirekte påvisning af gravitationsbølger stammer fra observationer af et dobbeltnutronstjernesystem. For nylig blev den første fusion af et dobbeltnutronstjernesystem detekteret både ved avanceret LIGO og i elektromagnetiske bølger i 2017, hvilket gav astronomer enestående indsigt i tyngdekraftenes arbejde og oprindelsen af ​​tunge elementer i universet.

Alligevel er det længe forblevet et mysterium, hvordan binære stjerner danner. Vi ved, at neutronstjerner dannes i supernova-eksplosioner. Men for at få binære neutronstjerner, har du brug for en binær af to massive stjerner til at begynde. Det kræver dog en præcis balance af kræfter for at sikre, at de binære neutronstjerner forbliver stabile nok til at overleve de to voldsomme eksplosioner, der skaber systemet.

Flere linjer af indirekte bevis tyder på, at de er dannet i en meget sjælden klasse af svage ultra-strippede supernova eksplosioner. Men disse svage eksplosioner havde hidtil undgået direkte detektion. Dette første observationsbevis for en ultra-strippet supernova åbner mulighed for at forstå dannelsen af ​​stramme neutronstjernede binære systemer.

Scanning af himlen til spædbarnseksplosioner

Vores supernova blev spottet under den mellemliggende Palomar Transient Factory (iPTF) undersøgelse. Den automatiserede iPTF-undersøgelse brugte et stort kamera monteret på et 1 meter stort teleskop for at tage billeder af himlen hver aften og scanne efter "nye stjerner". En søgning prioriterede på jagt efter spædbarns supernovaer og påpegede oprindelsen.

Når en ny stjerne er fundet, advarer undersøgelsesroboten straks on-duty astronomer placeret i en helt anden tidszone for opfølgning. Denne strategi, sammen med et globalt netværk af teleskoper, tillod os at fange flere eksploderende stjerner i aktion og forstå, hvad de så ud lige før de eksploderede. Faktisk at finde en sjælden ultra-strippet supernova øjeblikke efter eksplosionen var et heldigt tilfælde!

Denne eneste begivenhed har givet os den første indsigt i massen og energien frigivet i sådanne eksplosioner, livscyklussen for massive stjerner og dannelsen af ​​binære stjerner. Alligevel er der meget mere at lære af en større prøve af disse begivenheder.

Med Zwicky Transient Facilty - efterfølgeren til iPTF, der kan scanne himlen 10 gange hurtigere - og et globalt netværk af teleskoper kaldet VÆKST, håber vi at være vidne til mere ultra-strippede eksplosioner og begynde en ny episode i vores forståelse af disse unikke stjernesystemer.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Kishalay De. Læs den oprindelige artikel her.