Po raz pierwszy Hubble bezpośrednio mierzy masę samotnego białego karła

Astronomowie korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a po raz pierwszy bezpośrednio zmierzyli masę pojedynczego, odizolowanego białego karła — ocalałego jądra wypalonej gwiazdy podobnej do Słońca. Naukowcy odkryli, że biały karzeł ma masę 56 procent masy naszego Słońca. Jest to zgodne z wcześniejszymi przewidywaniami teoretycznymi dotyczącymi masy białego karła i potwierdza obecne teorie ewolucji białych karłów jako końcowego produktu ewolucji typowej gwiazdy. Ta wyjątkowa obserwacja daje wgląd w teorie budowy i składu białych karłów.

Do tej pory poprzednie pomiary masy białych karłów opierały się na obserwacjach białych karłów w układach podwójnych gwiazd. Obserwując ruch dwóch krążących wokół gwiazd, można zastosować prostą fizykę Newtona do pomiaru ich mas. Jednak pomiary te mogą być niepewne, czy gwiazda towarzysząca białemu karłowi znajduje się na orbicie długookresowej trwającej setki lub tysiące lat. Ruch orbitalny można zmierzyć za pomocą teleskopów tylko na krótkim odcinku ruchu orbitalnego karła.

W przypadku tego pozbawionego towarzysza białego karła naukowcy musieli zastosować sztuczkę natury, zwaną mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Światło gwiazdy tła zostało lekko odchylone przez grawitacyjne wypaczanie przestrzeni przez karła pierwszego planu. Gdy biały karzeł przechodził przed gwiazdą tła, mikrosoczewkowanie spowodowało, że gwiazda wydawała się tymczasowo przesunięta w stosunku do swojej rzeczywistej pozycji na niebie.

Wyniki opublikowano w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Głównym autorem jest Peter McGill, wcześniej z University of Cambridge (obecnie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz). McGill użył Hubble’a do precyzyjnego zmierzenia, jak światło odległej gwiazdy zakrzywia się wokół białego karła, znanego jako LAWD 37, powodując tymczasową zmianę położenia gwiazdy tła na niebie.

Kailash Sahu z Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland, główny badacz Hubble’a w tej ostatniej obserwacji, po raz pierwszy użył mikrosoczewkowania w 2017 roku do pomiaru masy innego białego karła, Steina 2051 B . Ale ten karzeł jest w bardzo odległym układzie podwójnym.

Nasza ostatnia obserwacja zapewnia nowy punkt odniesienia, ponieważ LAWD 37 jest sam w sobie.powiedział Sahu.

Zapadnięte pozostałości gwiazdy, która wypaliła się 1 miliard lat temu, LAWD 37, zostały dokładnie zbadane, ponieważ znajdują się zaledwie 15 lat świetlnych od nas w konstelacji Musca.

Ponieważ ten biały karzeł jest stosunkowo blisko nas, mamy o nim wiele danych – mamy informacje o jego widmie światła, ale brakującym elementem układanki był pomiar jego masy.powiedział McGill.

Zespół skupił się na białym karle dzięki należącemu do ESA kosmicznemu obserwatorium Gaia, które wykonuje niezwykle precyzyjne pomiary prawie 2 miliardów pozycji gwiazd. Do śledzenia ruchu gwiazdy można wykorzystać wiele obserwacji Gaia. Na podstawie tych danych astronomowie byli w stanie przewidzieć, że LAWD 37 przejdzie na krótko przed gwiazdą tła w listopadzie 2019 r.

Gdy stało się to znane, Hubble został wykorzystany do precyzyjnych pomiarów przez kilka lat, w jaki sposób pozorna pozycja gwiazdy tła na niebie była chwilowo odchylana podczas przejścia białego karła.

Zdarzenia te są rzadkie, a skutki są niewielkie. Na przykład wielkość naszego zmierzonego przesunięcia jest jak mierzenie długości samochodu na Księżycu widzianego z Ziemi.powiedział McGill.

Ponieważ światło gwiazdy tła było tak słabe, głównym wyzwaniem dla astronomów było wydobycie jej obrazu z blasku białego karła, który jest 400 razy jaśniejszy niż gwiazda tła. Tylko Hubble może wykonywać tego rodzaju obserwacje o wysokim kontraście w świetle widzialnym.

„Precyzja pomiaru masy LAWD 37 pozwala nam przetestować zależność masa-promień dla białych karłów” – powiedział McGill. „Oznacza to przetestowanie teorii materii zdegenerowanej (gaz tak bardzo sprężony pod wpływem grawitacji, że zachowuje się bardziej jak materia stała) w ekstremalnych warunkach wewnątrz tej martwej gwiazdy” – dodał.

Naukowcy twierdzą, że ich wyniki otwierają drzwi do przewidywania przyszłych zdarzeń za pomocą danych z Gaia. Oprócz Hubble’a, wyrównania te można teraz wykryć za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba należącego do NASA. Ponieważ Webb pracuje w zakresie fal podczerwonych, niebieska poświata białego karła na pierwszym planie wydaje się słabsza w świetle podczerwonym, a gwiazda tła wygląda na jaśniejszą.

Opierając się na mocy predykcyjnej Gai, Sahu obserwuje innego białego karła, LAWD 66, za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Pierwszą obserwację wykonano w 2022 r. Dalsze obserwacje zostaną podjęte, gdy odchylenie osiągnie szczyt w 2024 r., a następnie ustąpi.

Gaia naprawdę zmieniła zasady gry – to ekscytujące móc wykorzystywać dane z Gai do przewidywania, kiedy nastąpią zdarzenia, a następnie obserwować ich przebieg. Chcemy kontynuować pomiary efektu mikrosoczewkowania grawitacyjnego i uzyskać pomiary masy dla wielu innych typów gwiazd.stwierdził McGill.

W swojej ogólnej teorii względności z 1915 roku Einstein przewidział, że gdy masywny, zwarty obiekt przechodzi przed gwiazdą tła, światło gwiazdy zakrzywi się wokół obiektu pierwszego planu z powodu zakrzywienia przestrzeni przez jego pole grawitacyjne.

Dokładnie sto lat przed ostatnimi obserwacjami z Hubble’a, w 1919 roku, dwie zorganizowane przez Brytyjczyków ekspedycje na półkulę południową po raz pierwszy wykryły ten efekt soczewkowania podczas zaćmienia Słońca 19 maja. Został okrzyknięty pierwszym eksperymentalnym dowodem ogólnej teorii względności – że grawitacja zakrzywia przestrzeń. Jednak Einstein był pesymistą, że efekt można kiedykolwiek wykryć dla gwiazd spoza naszego Układu Słonecznego ze względu na wymaganą precyzję.

Nasz pomiar jest 625 razy mniejszy niż efekt zmierzony podczas zaćmienia Słońca w 1919 roku.powiedział McGill.

Astronomowie obserwują osieroconą protogwiazdę

Astronomowie przeprowadzili imponujący zestaw obserwacji na wielu długościach fal tego samego układu, nazwanego kompleksem HH 24. W tym kompleksie znajdują się gwiazdy w trakcie narodzin i skutki ich gwałtownych interakcji między sobą, w tym wyrzucenie jednego z rodzeństwa. W sumie astronomowie wykorzystali sześć teleskopów do przeprowadzenia tych obserwacji, w tym Kosmiczny Teleskop Hubble’a, Bardzo Duży Układ i teleskop ALMA. Dzięki połączonej mocy wszystkich długości fal obserwacyjnych astronomowie mogli złożyć kompleksowy obraz kompleksu HH 24.

Rdzeniem kompleksu HH 24 jest gęsta chmura gazu i pyłu, w której znajduje się co najmniej siedem znanych obiektów. Obiekty te są małe, gorące i gęste, ale jeszcze nie osiągnęły etapu , w którym mogą łączyć wodór w swoich jądrach i stać się prawdziwymi gwiazdami. Jednak wydaje się, że ktoś znajduje się na skraju tego limitu i stanie się gwiazdą praktycznie każdego dnia. Ten nowy system siedmiu gwiazd nie jest jednak stabilny. Ze względu na swoje masy i orbity, są one skazane na gwałtowne interakcje ze sobą. W rzeczywistości astronomowie złapali jeden taki wyrzut na gorącym uczynku. Wyrzucony obiekt to niewiarygodnie mała protogwiazda, prawie na tyle mała, że ​​można ją uznać za brązowego karła. Obecnie oddala się od jądra układu protogwiazdowego z prędkością około 25 km/s, co oznacza, że ​​został osierocony około 5800 lat temu. W ciągu następnych kilku tysięcy lat prawdopodobnie dołączy do niego przynajmniej część jego rodzeństwa.

Wszelkiego rodzaju protogwiazdy są niezwykle gwałtowne podczas formowania. Materia wiruje w dół na protogwiazdy, budując ich masę, ale gdy protogwiazdy się nagrzewają, wchodzą w interakcję z tym samym otoczeniem. Ruch gazu i pyłu może tworzyć niezwykle silne pola elektryczne i magnetyczne. Pola te kierują następnie część gazu wokół gwiazdy, tworząc dżety . Podobny proces zachodzi wokół supermasywnych czarnych dziur, ale na znacznie większą skalę. W przypadku kompleksu HH 24 astronomowie zaobserwowali pięć cienkich, wąskich dżetów emanujących z centralnego jądra. Dżety te są otoczone liniami pola magnetycznego, które nadają im kształt. Wszystkie razem dżety rozciągają się na co najmniej pięć lat świetlnych od jądra.

Pośród całej tej przemocy jest też nadzieja dla planet. Astronomowie zaobserwowali małe dyski protoplanetarne wokół pięciu gwiazd, niektóre z nich z przerwami, co sugeruje obecność młodych formujących się planet. Jeśli te gwiazdy przetrwają gwałtowne interakcje, którym będą musiały stawić czoła w ciągu następnych kilku tysięcy lat, planety te mogą pozostać związane ze swoimi gwiazdami macierzystymi.

Głębokie zapadlisko grawitacyjne połyka sąsiadującą gwiazdę

Czarne dziury to zbieracze, a nie łowcy. Czyhają, aż gwiazda przejdzie obok. Kiedy gwiazda zbliży się wystarczająco blisko, grawitacyjny uścisk czarnej dziury gwałtownie rozerwie ją na strzępy i niechlujnie pochłonie zawarte w niej gazy, wydzielając jednocześnie intensywne promieniowanie. Astronomowie korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a zarejestrowali szczegółowo ostatnie chwile gwiazdy, gdy zostaje ona pochłonięta przez czarną dziurę.

Są one określane jako „zdarzenia związane z zakłóceniami pływów”. Ale sformułowanie przeczy złożonej, surowej przemocy spotkania z czarną dziurą. Istnieje równowaga między grawitacją czarnej dziury przyciągającą materię gwiazdową a materią wydmuchiwaną przez promieniowanie. Innymi słowy, czarne dziury są niechlujnymi zjadaczami. Astronomowie używają Hubble’a, aby poznać szczegóły tego, co dzieje się, gdy krnąbrna gwiazda zanurza się w grawitacyjną otchłań. Hubble nie może sfotografować chaosu pływowego AT2022dsb z bliska, ponieważ pogryziona gwiazda znajduje się prawie 300 milionów lat świetlnych stąd, w jądrze galaktyki ESO 583-G004. Ale astronomowie wykorzystali potężną czułość Hubble’a na promieniowanie ultrafioletowe do badania światła z rozdrobnionej gwiazdy, która zawiera wodór, węgiel i inne. Spektroskopia dostarcza wskazówek kryminalistycznych w sprawie zabójstwa czarnej dziury.

Około 100 zakłóceń pływowych wokół czarnych dziur zostało wykrytych przez astronomów za pomocą różnych teleskopów. NASA niedawno poinformowała, że ​​kilka z jej wysokoenergetycznych obserwatoriów kosmicznych zauważyło kolejne zdarzenie rozerwania pływowego czarnej dziury 1 marca 2021 r. I miało to miejsce w innej galaktyce. W przeciwieństwie do obserwacji Hubble’a, dane zostały zebrane w promieniowaniu rentgenowskim z niezwykle gorącej korony wokół czarnej dziury, która powstała po tym, jak gwiazda już się rozerwała.

Jednak nadal istnieje bardzo niewiele zdarzeń pływowych, które obserwuje się w świetle ultrafioletowym, biorąc pod uwagę czas obserwacji. To naprawdę niefortunne, ponieważ z widm ultrafioletowych można uzyskać wiele informacji. Jesteśmy podekscytowani, ponieważ możemy uzyskać szczegółowe informacje na temat tego, co robią szczątki. Pływy mogą nam wiele powiedzieć o czarnej dziurze.powiedziała Emily Engelthaler z Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian (CfA) w Cambridge, Massachusetts.

Zmiany w stanie skazanej na zagładę gwiazdy następują rzędu dni lub miesięcy. Szacuje się, że w przypadku dowolnej galaktyki ze spokojną supermasywną czarną dziurą w centrum, gwiezdne strzępienie zdarza się tylko kilka razy na 100 000 lat.

To gwiezdne zjawisko podjadania AT2022dsb zostało po raz pierwszy schwytane 1 marca 2022 r. przez All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN lub „Assassin”), sieć naziemnych teleskopów, które mniej więcej raz w tygodniu badają niebo pozagalaktyczne w poszukiwaniu gwałtownych , zmienne i przejściowe zdarzenia, które kształtują nasz wszechświat. Ta energetyczna kolizja była wystarczająco blisko Ziemi i wystarczająco jasna, aby astronomowie z Hubble’a mogli wykonać spektroskopię w ultrafiolecie przez dłuższy niż zwykle okres czasu.

Zwykle te wydarzenia są trudne do zaobserwowania. Możesz uzyskać kilka obserwacji na początku zakłócenia, kiedy jest naprawdę jasno. Nasz program różni się tym, że ma na celu przyjrzenie się kilku pływom w ciągu roku, aby zobaczyć, co się stanie. Zaobserwowaliśmy to na tyle wcześnie, że mogliśmy obserwować to na tych bardzo intensywnych etapach akrecji czarnych dziur. Widzieliśmy spadek tempa akrecji, który z czasem zmienił się w strużkę.powiedział Peter Maksym z CfA.

Dane spektroskopowe z Hubble’a są interpretowane jako pochodzące z bardzo jasnego, gorącego obszaru gazu w kształcie pączka, który był kiedyś gwiazdą. Obszar ten, znany jako torus, ma wielkość Układu Słonecznego i wiruje wokół czarnej dziury pośrodku.

Patrzymy gdzieś na krawędź tego pączka. Widzimy gwiezdny wiatr z czarnej dziury przelatujący nad powierzchnią, która jest rzutowana w naszą stronę z prędkością 20 milionów mil na godzinę (trzy procent prędkości światła), Naprawdę wciąż zastanawiamy się nad tym wydarzeniem. Rozdrabniasz gwiazdę, a potem ma ten materiał, który przedostaje się do czarnej dziury. Więc masz modele, w których myślisz, że wiesz, co się dzieje, a potem masz to, co faktycznie widzisz. To ekscytujące miejsce dla naukowców: dokładnie na styku tego, co znane i nieznane.powiedział Maksym.

Hubble odkrywa, że widmo światła pośród galaktyk rozciąga się daleko wstecz w czasie

W gigantycznych gromadach setek lub tysięcy galaktyk niezliczone gwiazdy wędrują wśród galaktyk jak zagubione dusze, emitując upiorną mgiełkę światła. Gwiazdy te nie są związane grawitacyjnie z żadną galaktyką w gromadzie.

Pytaniem dla astronomów było: w jaki sposób gwiazdy zostały tak rozproszone w gromadzie? Kilka konkurencyjnych teorii obejmuje możliwość, że gwiazdy zostały wyrwane z galaktyk gromady, zostały podrzucone po zderzeniu galaktyk lub były obecne na wczesnym etapie formowania się gromady, wiele miliardów lat temu. Niedawny przegląd w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, który szukał tego tak zwanego “światła wewnątrz gromady”, rzuca nowe światło na tajemnicę. Nowe obserwacje Hubble’a sugerują, że te gwiazdy wędrują od miliardów lat i nie są produktem niedawnej dynamicznej aktywności wewnątrz gromady galaktyk, która pozbawiłaby je normalnych galaktyk. Badanie obejmowało 10 gromad galaktyk oddalonych nawet o prawie 10 miliardów lat świetlnych. Pomiary te muszą być wykonane z kosmosu, ponieważ słabe światło wewnątrz gromady jest 10 000 razy słabsze niż nocne niebo widziane z Ziemi.

Badanie ujawnia, że ​​część światła wewnątrz gromady w stosunku do całkowitego światła w gromadzie pozostaje stała, patrząc na miliardy lat wstecz.

Oznacza to, że gwiazdy te były już bezdomne we wczesnych stadiach formowania się gromady.powiedział James Jee z Uniwersytetu Yonsei w Seulu w Korei Południowej.

Gwiazdy mogą zostać rozproszone poza ich galaktycznym miejscem narodzin, gdy galaktyka porusza się przez gazową materię w przestrzeni między galaktykami, gdy okrąża centrum gromady. W tym procesie opór wypycha gaz i pył z galaktyki. Jednak w oparciu o nowy przegląd Hubble’a, Jee wyklucza ten mechanizm jako główną przyczynę produkcji gwiazd wewnątrz gromady. Dzieje się tak dlatego, że frakcja światła wewnątrz gromady wzrastałaby z czasem do chwili obecnej, gdyby głównym graczem był stripping. Ale tak nie jest w przypadku nowych danych Hubble’a, które pokazują stały ułamek na przestrzeni miliardów lat.

Nie wiemy dokładnie, co sprawiło, że stały się bezdomne. Obecne teorie nie mogą wyjaśnić naszych wyników, ale w jakiś sposób zostały wyprodukowane w dużych ilościach we wczesnym wszechświecie. We wczesnych latach formowania się galaktyki mogły być dość małe i dość łatwo krwawiły z gwiazd z powodu słabszego uchwytu grawitacyjnego.powiedział Jee.

Jeśli odkryjemy pochodzenie gwiazd wewnątrz gromady, pomoże nam to zrozumieć historię składania całej gromady galaktyk i mogą one służyć jako widoczne ślady ciemnej materii otaczającej gromadę.powiedział Hyungjin Joo z Yonsei University, pierwszy autor papieru. Ciemna materia to niewidzialne rusztowanie wszechświata, które utrzymuje razem galaktyki i gromady galaktyk.

Jeśli wędrujące gwiazdy powstały w wyniku stosunkowo niedawnej gry w pinball wśród galaktyk, nie mają wystarczająco dużo czasu, aby rozproszyć się po całym polu grawitacyjnym gromady, a zatem nie prześledziłyby rozkładu ciemnej materii gromady. Ale jeśli gwiazdy narodziły się we wczesnych latach gromady, będą całkowicie rozproszone po całej gromadzie. Umożliwiłoby to astronomom wykorzystanie krnąbrnych gwiazd do mapowania rozkładu ciemnej materii w gromadzie.

Ta technika jest nowa i uzupełnia tradycyjną metodę mapowania ciemnej materii poprzez pomiar, w jaki sposób cała gromada wypacza światło z obiektów tła w wyniku zjawiska zwanego soczewkowaniem grawitacyjnym.

Światło wewnątrz gromady zostało po raz pierwszy wykryte w gromadzie galaktyk Coma w 1951 roku przez Fritza Zwicky’ego, który poinformował, że jednym z jego najciekawszych odkryć była obserwacja jasnej, słabej materii międzygalaktycznej w gromadzie. Ponieważ gromada Coma, zawierająca co najmniej 1000 galaktyk, jest jedną z najbliższych gromad względem Ziemi (330 milionów lat świetlnych), Zwicky był w stanie wykryć widmowe światło nawet za pomocą skromnego 18-calowego teleskopu.

Możliwości i czułość Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w zakresie bliskiej podczerwieni znacznie rozszerzy poszukiwania gwiazd wewnątrz gromady głębiej we Wszechświecie, a zatem powinno pomóc w rozwiązaniu zagadki.