Pierwszy bezpośredni pomiar masy samotnego białego karła
Astronomowie dokonali bezpośredniego pomiaru masy martwej gwiazdy wykorzystując efekt mikrosoczewkowania grawitacyjnego.
Obraz LAWD 37 z danych z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.
Źródło: NASA, ESA, Ann Feild (STScI)
Międzynarodowy zespół naukowców wykorzystał dane z dwóch teleskopów, aby zmierzyć, w jaki sposób światło z odległej gwiazdy ugina się wokół białego karła znanego jako LAWD 37, co powoduje, że odległa gwiazda tymczasowo zmienia swoją pozycję na niebie.
Jest to pierwszy przypadek wykrycia tego efektu dla pojedynczej gwiazdy innej niż Słońce, a także pierwszy przypadek bezpośredniego pomiaru masy takiej gwiazdy. Wyniki opublikowano w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
LAWD 37 to biały karzeł będący wynikiem śmierci gwiazdy takiej jak nasze Słońce. Kiedy gwiazda umiera, przestaje spalać swoje paliwo i odrzuca zewnętrzną materię, pozostawiając jedynie gorące, gęste jądro. W tych warunkach materia, jaką znamy, zachowuje się zupełnie inaczej i zamienia się w coś, co nazywa się materią zdegenerowaną elektronowo.
Białe karły dostarczają nam wskazówek, jak ewoluują gwiazdy – pewnego dnia nasza własna gwiazda skończy jako biały karzeł – powiedział główny autor pracy, dr Peter McGill, który prowadził badania, gdy robił doktorat w Instytucie Astronomii w Cambridge.
LAWD 37 został szeroko zbadany, ponieważ jest stosunkowo blisko nas. Ten biały karzeł znajduje się w odległości 15 lat świetlnych od nas w konstelacji Muchy i jest pozostałością po gwieździe, która zmarła około 1,15 miliarda lat temu.
Ponieważ ten biały karzeł jest stosunkowo blisko, mamy na jego temat wiele danych – posiadamy informacje o jego widmie, ale brakującym elementem układanki był pomiar jego masy – powiedział McGill.
Masa jest jednym z najważniejszych czynników ewolucji gwiazdy. W przypadku większości obiektów gwiazdowych astronomowie określają masę pośrednio, opierając się na mocnych, często niesprawdzonych założeniach modelowania. W rzadkich przypadkach, gdy masę można wywnioskować bezpośrednio, obiekt musi mieć towarzysza, tak jak w przypadku gwiazd podwójnych. Ale w przypadku pojedynczych obiektów, takich jak LAWD 37, potrzebne są inne metody określania masy.
McGill i jego międzynarodowy zespół byli w stanie wykorzystać parę teleskopów – Gaia i Kosmiczny Teleskop Hubble’a – aby uzyskać pierwszy dokładny pomiar masy dla LAWD 37, przewidując, a następnie obserwując efekt mikrosoczewkowania grawitacyjnego.
W ogólnej teorii względności Einstein przewidział, że gdy masywny, zwarty obiekt przechodzi przed odległą gwiazdą, światło gwiazdy zakrzywia się wokół obiektu pierwszego planu ze względu na jego pole grawitacyjne. Efekt ten znany jest jako mikrosoczewkowanie grawitacyjne. W 1919 roku dwóch brytyjskich astronomów – Arthur Eddington z Cambridge i Frank Dyson z Royal Greenwich Observatory – po raz pierwszy wykryło ten efekt podczas całkowitego zaćmienia Słońca, co było pierwszym popularnym potwierdzeniem OTW.
W 2017 roku astronomowie wykryli efekt mikrosoczewkowania grawitacyjnego dla innego pobliskiego białego karła w układzie podwójnym, Stein 2051 b, co oznaczało pierwsze wykrycie tego efektu dla gwiazdy innej niż nasze Słońce. Teraz zespół astronomów wykrył efekt dla LAWD 37, dając pierwszy bezpośredni pomiar masy pojedynczego białego karła.
Korzystając z satelity Gaia, który tworzy najdokładniejszą i kompletną wielowymiarową mapę Drogi Mlecznej, astronomowie byli w stanie przewidzieć ruch LAWD 37 i zidentyfikować punkt, w którym znajdzie się on wystarczająco blisko gwiazdy tła, aby wykryć sygnał mikrosoczewkowania.
Wykorzystując dane z Gaia, astronomowie byli w stanie skierować Kosmiczny Teleskop Hubble’a we właściwe miejsce we właściwym czasie, aby obserwować to zjawisko, które miało miejsce w listopadzie 2019 roku, 100 lat po słynnym eksperymencie Eddingtona i Dysona.
Ponieważ światło gwiazdy tła było tak słabe, głównym wyzwaniem dla astronomów było wydobycie sygnału soczewkowania z szumu. Zdarzenia te są rzadkie, a skutki niewielkie – powiedział McGill. Na przykład, wielkość zmierzonego przez nas efektu przypomina pomiar długości samochodu znajdującego się na Księżycu widzianego z Ziemi i jest 625 razy mniejsza niż efekt zmierzony podczas zaćmienia Słońca w 1919 roku.
Po wydobyciu sygnału soczewkowania, naukowcy byli w stanie zmierzyć wielkość astrometrycznego odchylenia źródła tła, które skaluje się wraz z masą białego karła, i uzyskać masę grawitacyjną dla LAWD 37 stanowiącą 56% masy naszego Słońca. Jest to zgodne z wcześniejszymi przewidywaniami teoretycznymi dotyczącymi masy LAWD 37 i potwierdza obecne teorie ewolucji białych karłów.
Precyzja pomiaru masy LAWD 37 pozwala nam przetestować zależność masa-promień dla białych karłów – powiedział McGill. Oznacza to testowanie właściwości materii w ekstremalnych warunkach wewnątrz tej martwej gwiazdy.
Naukowcy twierdzą, że ich wyniki otwierają drzwi do przewidywań przyszłych zdarzeń za pomocą danych Gaia, które można wykryć za pomocą obserwatoriów kosmicznych, takich jak JWST.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
