Czy to najlżejsza czarna dziura czy najcięższa gwiazda neutronowa?

Około 40 000 lat świetlnych stąd szybko wirujący obiekt ma towarzysza, który wprawia astronomów w zakłopotanie. Jest cięższa od najcięższych gwiazd neutronowych, a jednocześnie lżejsza od najlżejszych czarnych dziur. Pomiary umieszczają ją w tak zwanej luce masowej czarnej dziury, obserwowanej luce w populacji gwiazd o masie od dwóch do pięciu mas Słońca. Wydaje się, że nie ma gwiazd neutronowych większych niż dwie masy Słońca ani czarnych dziur mniejszych niż pięć mas Słońca.

Astronomowie pracujący w ramach współpracy Transients and Pulsars z MeerKAT (TRAPUM) odkryli obiekt nazwany PSR J0514-4002E w gromadzie kulistej o nazwie NGC 1851. Jest to „ekscentryczny podwójny pulsar milisekundowy” – twierdzą autorzy nowego artykułu badawczego w czasopiśmie Science. Całkowita masa obiektu towarzyszącego pulsarowi wynosi 3,887 ± 0,004 masy Słońca, co plasuje go dokładnie w szczelinie masowej czarnej dziury.

Co to jest?

Nowy artykuł badawczy nosi tytuł „ Pulsar w układzie podwójnym ze zwartym obiektem w szczelinie masowej między gwiazdami neutronowymi a czarnymi dziurami”. Głównym autorem jest Ewan Barr z Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka. Opublikowano go w czasopiśmie Science. Barr i jego współpracownicy odkryli obiekt krążący wokół szybko wirującego pulsara milisekundowego. Pulsar to obracająca się gwiazda neutronowa powstała w wyniku eksplozji supernowej. Pulsary podczas wirowania emitują wiązki energii elektromagnetycznej ze swoich biegunów. Jeśli orientacja między Ziemią a pulsarem jest prawidłowa, widzimy błyski pulsara. Dlatego nazywa się je kosmicznymi latarniami morskimi. Pulsar milisekundowy ma okres rotacji od 1 do 10 milisekund. Oznacza to, że obraca się od 60 000 do 6000 razy na minutę.

Pulsary to potężne narzędzia ze względu na ich szybki i przewidywalny obrót. Technika synchronizacji pulsarów mierzy impulsy z dużą precyzją i odnotowuje wszelkie zmiany. Zmiany te wskazują na obecność innego ciała, jego masę i odległość od pulsara.

Pomyśl o tym, jak o możliwości upuszczenia niemal idealnego stopera na orbitę wokół gwiazdy oddalonej o prawie 40 000 lat świetlnych, a następnie możliwości pomiaru czasu tych orbit z dokładnością do mikrosekund.powiedział główny autor Barr.

W swoich badaniach astronomowie wykorzystali synchronizację pulsara do wykrycia obiektu w związku binarnym z nim. Ale nie mógł im powiedzieć, co to jest. Czy mógłby to być układ podwójny zawierający pulsar i czarną dziurę? A może to pulsar i gwiazda neutronowa? Czy to może być coś innego? Astronomowie nigdy nie znaleźli układu zawierającego pulsar i czarną dziurę, choć bardzo by tego chcieli. Te pary stanowią nowy sposób badania czarnych dziur i mogą również służyć jako nowy test ogólnej teorii względności Einsteina. Jeśli towarzyszem nie jest mała czarna dziura, ale ciężka gwiazda neutronowa, jest to naukowo cenne z innego powodu.

Każda możliwość dotycząca natury towarzysza jest ekscytująca.powiedział Ben Stappers, profesor astrofizyki na Uniwersytecie w Manchesterze i jeden ze współautorów.

Układ pulsar–czarna dziura będzie ważnym celem testowania teorii grawitacji, a ciężka gwiazda neutronowa zapewni nowe spojrzenie na fizykę jądrową przy bardzo dużych gęstościach.

Gwiazdy neutronowe to niezwykle gęste, zwarte obiekty, które pozostają po zapadnięciu się i eksplozji masywnej gwiazdy w postaci supernowej. Gwiazdy neutronowe mogą zapadać się jeszcze bardziej, jeśli zyskają masę w wyniku interakcji z innym obiektem gwiazdowym. Ale astrofizycy nie wiedzą, czym stają się te gwiazdy neutronowe po zapadnięciu się. Mogą stać się czarnymi dziurami.

Tutaj właśnie wchodzi w grę różnica masowa czarnej dziury.

Naukowcy uważają, że aby gwiazda neutronowa uległa zapadnięciu, musi mieć masę około 2,2 masy Słońca. To próg niezbędny do wystąpienia załamania. Jednak zarówno teoria, jak i obserwacje pokazują, że te zapadnięte gwiazdy neutronowe mogą stworzyć czarne dziury pięć razy masywniejsze od Słońca. Prowadzi to do powstania luki masowej czarnej dziury. Astrofizycy nie są pewni natury obiektów znajdujących się w przerwie masowej. Jak pokazują te obserwacje, coś w tym jest, ale charakter obiektu jest trudny do rozpoznania. Kimkolwiek jest towarzysz, autorzy uważają, że powstał w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych.

Proponujemy, aby spółka towarzysząca powstała w wyniku fuzji dwóch wcześniejszych NS.piszą.

Jeśli towarzyszem jest masywna gwiazda neutronowa, może to być pulsar. Autorom nie udało się jednak wykryć żadnych pulsacji.

Szukaliśmy pulsacji radiowych towarzysza, zakładając pełny dozwolony zakres stosunków masowych, ale nie wykryliśmy żadnych.wyjaśniają.

Pochodzenie obiektu podwójnego może wyjaśnić, czym jest ten obiekt, a astrofizycy dysponują szczegółowymi modelami ewolucji układu podwójnego. Modele te wskazują, że w jakiś sposób miał tu miejsce transfer masy.

Połączenie lokalizacji w gęstej gromadzie kulistej (gdzie często dochodzi do spotkań wymiany gwiazd), bardzo ekscentrycznej orbicie, szybkiego wirowania pulsara i dużej masy towarzyszącej wskazuje, że układ PSR J0514?4002E jest produktem wtórnego spotkanie wymiany.wyjaśniają naukowcy w swoim artykule.

Autorzy uważają, że wcześniejszy obiekt towarzyszący o mniejszej masie przekazał masę pulsarowi. Tego typu interakcje są bardziej prawdopodobne w gromadzie kulistej, takiej jak ta, w której znajduje się obiekt podwójny, gdzie gwiazdy są ciasno upakowane. Pulsar również obraca się bardzo szybko, co jest kolejną wskazówką, że zyskał masę od towarzysza. Jeśli tak było, to w jakiś sposób bieżący obiekt towarzyszący zastąpił poprzedniego towarzysza.

Możliwa jest jednak również bardziej skomplikowana ewolucja z wielokrotnymi spotkaniami wymiany. Dlatego nie możemy wnioskować o naturze towarzysza na podstawie podwójnych modeli ewolucji.wyjaśniają naukowcy.

Na razie charakter obiektu jest niepewny.

Dlatego nie możemy określić, czy towarzysz to masywny NS, czy BH o małej masie.

Ale pewnego dnia mogą.

Jeszcze nie skończyliśmy z tym systemem.powiedziała współautorka Arunima Dutta z MPIA.

Odkrycie prawdziwej natury towarzysza będzie punktem zwrotnym w naszym rozumieniu gwiazd neutronowych, czarnych dziur i wszystkiego, co może czaić się w luce masowej czarnej dziury.

Teleskopy ESO pomogły rozwikłać zagadkę pulsara

Dzięki dużej kampanii obserwacyjnej, w którą zaangażowano 12 teleskopów naziemnych i kosmicznych, w tym trzy instrumenty Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), astronomowie przeanalizowali dziwne zachowanie pulsara, superszybko wirującej martwej gwiazdy. Wiadomo, iż ten tajemniczy obiekt niemal ciągle przełącza się pomiędzy dwoma modami jasności. Do tej pory pozostawało to zagadką. Ale teraz astronomowie odkryli, że za dziwne zachowanie odpowiedzialne są nagłe wyrzuty materii z pulsara w bardzo krótkich okresach.

Byliśmy świadkami niezwykłych kosmicznych wydarzeń, w których ogromne ilości materii, podobne do kosmicznych kul armatnich, są wystrzeliwane w przestrzeń kosmiczną w bardzo krótkim czasie kilkudziesięciu sekund z małego, gęstego obiektu niebieskiego obracającego się z niesamowitą szybkością.mówi Maria Cristina Baglio, badaczka z New York University Abu Dhabi, afiliowana także w Italian National Institute for Astrophysics (INAF), pierwsza autorka artykułu opublikowanego dzisiaj w Astronomy & Astrophysics.

Pulsar to szybko rotująca, magnetyczna, martwa gwiazda, która emituje wiązkę promieniowania elektromagnetycznego w przestrzeń kosmiczną. Gdy obraca się, wiązka omiata kosmos – podobnie jak wiązka latarni morskiej skanująca otoczenie – i jest wykrywana przez astronomów, gdy przecina linię widzenia z Ziemią. To powoduje, że gwiazda wydaje się iż jasność gwiazdy pulsuje, gdy patrzymy na nią z naszej planety.

PSR J1023+0038, w skrócie J1023, jest specjalnym typem pulsara o dziwnym zachowaniu Znajduje się około 4500 lat świetlnych od nas w kierunku gwiazdozbioru Sekstantu. Krąży blisko innej gwiazdy. W ciągu ostatniej dekady pulsar aktywnie wyciągał materię ze swojej towarzyszki. Gromadziła się w dysku wokół pulsara i powoli opadała w jego stronę.

Odkąd rozpoczął się proces gromadzenia materii, wiązka światła praktycznie zniknęła i pulsar zaczął nieustannie przełączać się pomiędzy dwoma modami. W trybie „wysokim” pulsar emituje jasne promieniowanie rentgenowskie, ultrafioletowe i widzialne, natomiast w „niskim” jest słabszy na tych częstotliwościach, a za to emituje więcej fal radiowych. Pulsar może przebvwać w danym modzie przez kilka sekund lub minut, a następnie w ciągu zaledwie kilku sekund przełącza się do drugiego. Do tej pory to przełączanie zdumiewało astronomów.

Nasza bezprecedensowa kampania obserwacyjna mająca na celu zrozumienie zachowania pulsara obejmowała dwanaście najnowocześniejszych teleskopów naziemnych i kosmicznych.mówi Francesco Coti Zelati, naukowiec z Institute of Space Sciences w Barcelonie (Hiszpania), wiodący współautor publikacji.

Kampania obejmowała należace do ESO: Bardzo Duży Teleskop (VLT) i Teleskop Nowej Technologii (NTT), które wykryły światło widzialne i podczerwone, a także Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), w którym ESO jest partnerem. W ciągu dwóch nocy w czerwcu 2021 roku zaobserwowano, że system wykonał ponad 280 przełączeń pomiędzy modami wysokim i niskim.

Odkryliśmy, że przełączanie trybów wynika ze skomplikowanej zależności pomiędzy wiatrem pulsarowym, przepływem cząstek o wysokiej energii wywiewanych z pulsara i materią przepływającą w kierunku pulsara.wskazuje Coti Zelati, która także jest afiliowana w INAF.

W trybie niskim materia przemieszczająca się w kierunku pulsara jest wyrzucana w wąskim dżecie prostopadłym do dysku. Materia ta stopniowo gromadzi się coraz bliżej pulsara, a gdy to następuje, uderza w nią wiatr wiejący od pulsującej gwiazdy, powodując nagrzewanie się materii. System znajduje się teraz w trybie wysokim, świecąc jasno w promieniowanie rentgenowskim, ultrafioletowym i widzialnym. Ostatecznie plamy gorącej materii są usuwane przez pulsar przy pomocy dżetu. Gdy w dysku jest mniej gorącej materii, system świeci mnie jasno, przełączając się w tryb niski.

Chociaż opisane odkrycie odsłoniło tajemnicę dziwnego zachowania J1023, astronomowie wciąż mogą wiele nauczyć się z badania tego unikalnego systemu. Teleskopy ESO nadal będą pomagać w obserwacjach osobliwego pulsara. W szczególności Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), będący aktualnie w trakcie budowy przez ESO w Chile, zapewni bezprecedensowy widok mechanizmów przełączeniowych J1023.

ELT pozwoli nam uzyskac kluczowy wgląd w to, jak obfitość, rozmieszczenie, dynamika i energetyka materii napływającej wokół pulsara wpływa na przełączanie się jego trybów zachowania się.podsumowuje Sergio Campana, Dyrektor Naukowy w INAF Brera Observatory, współautor badań.
info: ESO.org

Pulsary mogą pomóc w mapowaniu czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej

Ogólna teoria względności (GR), zaproponowana przez Einsteina ponad sto lat temu, pozostaje jednym z najbardziej znanych postulatów naukowych wszechczasów. Ta teoria, która wyjaśnia, w jaki sposób krzywizna czasoprzestrzeni zmienia się w obecności masywnych obiektów, pozostaje kamieniem węgielnym naszych najszerzej akceptowanych modeli kosmologicznych. Nie powinno to dziwić, ponieważ GR został zweryfikowany na wiele sposobów i w najbardziej ekstremalnych warunkach, jakie można sobie wyobrazić. W szczególności naukowcy przeprowadzili kilka kampanii obserwacyjnych w celu przetestowania GR za pomocą Sagittarius A* (Sgr A*), supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej.

W ubiegłym roku Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) – międzynarodowe konsorcjum astronomów i obserwatoriów – ogłosiło, że wykonało pierwsze zdjęcia Sag A*, które pojawiły się zaledwie dwa lata po opublikowaniu pierwszych w historii zdjęć SMBH (M87). W 2014 roku europejscy członkowie EHT uruchomili kolejną inicjatywę znaną jako BlackHoleCam, aby lepiej zrozumieć SMBH za pomocą kombinacji obrazowania radiowego, obserwacji pulsarów, astrometrii i GR. W niedawnym artykule inicjatywa BHC opisała, w jaki sposób testowała GR, obserwując pulsary krążące wokół Sgr A*.

Konsorcjum BlackHoleCam składa się z naukowców z Max Planck Institute of Radio Astronomy (MPIFR), Institute for Millimeter Radio Astronomy (IRAM), Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (KIAA), University of Manchester’s Jodrell Bank Centre for Astrophysics (JBCA), Radboud University’s Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics (IMAPP) oraz Goethe University’s Instytut Fizyki Teoretycznej. Badanie, prowadzone przez doktora habilitowanego Ralpha P. Eatougha z MPIFR, ukazało się niedawno w World Scientific.

Jak wskazują w swoim artykule, astronomowie obserwują układy podwójne gwiazd neutronowych od ponad czterdziestu lat. W tych układach, w których jedna lub obie gwiazdy są aktywnymi pulsarami radiowymi, możliwe były precyzyjne testy grawitacji. Podobnie, pulsar na bliskiej orbicie wokół Sgr A* byłby idealnym laboratorium do testowania przewidywań GR i właściwości, których nie można zmierzyć w inny sposób. Obejmuje to twierdzenie o braku włosów, które stwierdza, że materia, która utworzyła czarną dziurę, jest niedostępna, oraz hipotezę kosmicznej cenzury (CCC), która teoretyzuje o strukturze osobliwości w GR.

W ciągu ostatnich kilku dekad wykonano kilka poszukiwań pulsarów znajdujących się w odległości około 240 lat świetlnych (73 parseków) od centrum Galaktyki (GC). W 2013 roku populacja pulsarów na tym obszarze wzrosła do sześciu dzięki wykryciu PSR J1745-2900 (magnetara emitującego fale radiowe) na wielu długościach fali. Pierwsze zespoły, które tego dokonały, polegały na obserwatoriach Neila Gehrelesa Swifta i NuSTAR, aby wykryć emisje promieniowania gamma, podczas gdy dwa kolejne zespoły (jeden kierowany przez Eatougha) badały go za pomocą radioteleskopów. Ostatnie ulepszenia w radioteleskopach i analizie danych znalazły dodatkowe obszary do poszukiwań pulsarów GC.

Jedną z technik jest poszukiwanie pulsarów na częstotliwościach “wyższych niż normalnie” – ponad dziesięć gigaherców (GHz) – i na dłuższych długościach całkowania. Zmniejsza to efekty międzygwiezdnej dyspersji i rozpraszania, które są najwyższe dla obiektów w GC. Niestety, takie podejście wiąże się z kompromisem, ponieważ poszukiwania te są ograniczone przez strome spektrum emisji pulsarów, co prowadzi do wyższego stosunku sygnału do szumu. Może to sprawić, że przeglądy pulsarów podwójnych w GC będą bardzo trudne, ograniczając poszukiwania do izolowanych pulsarów o bardziej płaskich widmach.

Te zdjęcia z adnotacjami, uzyskane instrumentem GRAVITY na należącym do ESO interferometrze VLTI między marcem a lipcem 2021 r., pokazują gwiazdy krążące bardzo blisko Sgr A*. Źródło: ESO

Na szczęście zespół BlackHoleCam i członkowie konsorcjum EHT zamierzają poradzić sobie z tymi ograniczeniami za pomocą największych i najbardziej czułych teleskopów na świecie (działających na falach milimetrowych). Obejmuje to Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Caltech Submillimeter Observatory (CSO), Kitt Peak National Observatory (KPNO), Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), Institut de Radioastronomie Millimétrique 30-m radiotelescope (IRAM) i inne instrumenty, które tworzą szkielet EHT.

Pod tym względem ta sama technologia, której użyto do wykonania pierwszego zdjęcia Sgr A*, zostanie wykorzystana do dostrzeżenia krążących wokół niej pulsarów podwójnych. Sprowadza się to również do tej samej metodologii: interferometrii bardzo długiej linii bazowej (VLBI). Składa się on z wielu radioteleskopów współpracujących ze sobą i łączących dane w celu tworzenia obrazów o wyższej rozdzielczości. Do tej pory większość poszukiwań pulsarów opierała się na najbardziej czułym elemencie EHT: “w pełni fazowej” ALMA. Ale Eatough i jego zespół napisali, że to się zmieni wraz z BlackHoleCam:

Ponieważ zarówno obrazowanie EHT VLBI, jak i obserwacje pulsarów mogą wykorzystywać ten sam surowy produkt danych z każdego elementu macierzy, EHT VLBI i obserwacje pulsarów mogą być komensalne… W przyszłości możemy przewidzieć wykorzystanie etapowej tablicy największych komponentów EHT w celu dalszego zwiększenia czułości lub złagodzenia zanieczyszczenia interferencyjnego specyficznego dla danego miejsca.

Jak zawsze, postępy w astronomii stwarzają nowe możliwości badań, które wykraczają poza pierwotną misję. Pierwotnie zaprojektowany do obrazowania horyzontów zdarzeń supermasywnych czarnych dziur (SMBH) w centrach galaktyk, EHT otworzył drzwi do badań interferometrii nowej generacji. W nadchodzących latach niezrównana czułość tych tablic może przetestować prawa fizyki w najbardziej ekstremalnych warunkach, zapewniając nowy wgląd w prawa rządzące Wszechświatem.

Fale grawitacyjne z pulsarów mogą być wykorzystane do badania wnętrza Słońca

Astronomia fal grawitacyjnych jest wciąż w początkowej fazie. Do tej pory skupiał się na najbardziej energetycznych i wyraźnych źródłach fal grawitacyjnych, takich jak kataklizmiczne łączenie się czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Ale to się zmieni wraz z poprawą naszych teleskopów grawitacyjnych i pozwoli astronomom badać wszechświat w sposób wcześniej niemożliwy.

Chociaż fale grawitacyjne mają wiele podobieństw do fal świetlnych, jedną wyraźną różnicą jest to, że większość obiektów jest przezroczysta dla fal grawitacyjnych. Światło może być absorbowane, rozpraszane i blokowane przez materię, ale fale grawitacyjne w większości przechodzą przez materię. Mogą być soczewkowane przez masę obiektu, ale nie w pełni zablokowane. Oznacza to, że fale grawitacyjne mogą być używane jako narzędzie do zaglądania do wnętrza ciał astronomicznych, podobnie jak promieniowanie rentgenowskie lub MRI pozwalają nam zobaczyć wnętrze ludzkiego ciała.

Taka jest idea stojąca za niedawnymi badaniami dotyczącymi tego, w jaki sposób fale grawitacyjne można wykorzystać do badania wnętrza Słońca. Słońce jest tak niewiarygodnie gorące i gęste, że światło nie może go przeniknąć. Nawet światło wytwarzane w jądrze Słońca potrzebuje ponad 100 000 lat, aby dotrzeć do powierzchni Słońca. Nasze jedyne informacje o wnętrzu Słońca pochodzą z heliosejsmologii, gdzie astronomowie badają drgania powierzchni Słońca spowodowane falami dźwiękowymi wewnątrz Słońca.

Ścieżka trzech gwiazd neutronowych za Słońcem. Źródło: Takahashi et al

W tym nowym badaniu zespół przygląda się, w jaki sposób fale grawitacyjne szybko rotujących gwiazd neutronowych można wykorzystać do badania Słońca. Chociaż idealnie gładki obracający się obiekt nie tworzy fal grawitacyjnych, asymetryczne obiekty wirujące tak. Gwiazdy neutronowe mogą mieć deformacje lub górskie wzrosty spowodowane ich wewnętrznym ciepłem lub polami magnetycznymi. Jeśli taka gwiazda neutronowa obraca się szybko, wytwarza ciągły strumień fal grawitacyjnych. Te fale grawitacyjne są zbyt słabe, aby mogły być obserwowane przez obecne teleskopy, ale następna generacja obserwatoriów grawitacyjnych powinna być w stanie je wykryć.

Ponieważ gwiazdy neutronowe są dość powszechne w galaktyce, niektóre z nich są ustawione w taki sposób, że Słońce przechodzi przed nimi z naszej perspektywy. Z ponad 3 znanych pulsarów, około 000 z nich jest dobrymi kandydatami na źródła fal grawitacyjnych, a z tych 500 wiadomo, że przechodzą za Słońcem. Zespół wykorzystał profile tych trzech pulsarów jako punkt wyjścia.

Ponieważ Słońce jest przezroczyste dla fal grawitacyjnych, jedyny wpływ, jaki Słońce ma na nie, to jego masa grawitacyjna. Gdy fale przechodzą przez Słońce, są nieco soczewkowane grawitacyjnie. Ilość soczewkowania zależy od masy Słońca i rozkładu tej masy. Zespół odkrył, że przy odpowiednich pomiarach obserwacje fal grawitacyjnych mogą zmierzyć profil gęstości Słońca z dokładnością do 3 sigma.

Trzy znane pulsary to prawdopodobnie tylko niewielki ułamek źródeł fal grawitacyjnych, które przechodzą za Słońcem. Większość gwiazd neutronowych ma orientację spinową, która nie kieruje błysków radiowych w naszym kierunku, ale nadal mogą być używane jako sondy grawitacyjne. Prawdopodobnie istnieją setki szybko rotujących gwiazd neutronowych, które przechodzą za Słońcem w ciągu roku. Skoro jesteśmy w stanie obserwować ich fale grawitacyjne, powinny one dać nam doskonały widok wewnątrz naszej najbliższej gwiazdy.