کشف ۲۱ سیستم دوتایی نادر: ستاره‌های نوترونی و خورشیدمانند در یک رقص کیهانی بی‌نظیر

شما سالها منتظر می مانید تا یک ستاره دوتایی ستاره معمولی نوترونی ظاهر شود، سپس ۲۱ به یکباره می رسد.

ستاره شناسان ۲۱ سیستم دوتایی «یک در میلیون» را کشف کرده اند که در آن ستارگان خورشید مانند به دور یک «ستاره مرده» پنهان، یک جرم بسیار متراکم و فشرده به نام ستاره نوترونی، می چرخند.

یکی از ستاره های نوترونی کشف شده در این دسته از دوتایی ها، یکی از پرجرم ترین ستارگان مرده از این نوع است که تاکنون دیده شده است.

اگرچه ما عادت کرده ایم که ستارگان مانند خورشید ما تک قلو باشند، حداقل نیمی از ستارگان به جرم خورشید در منظومه های دوتایی وجود دارند. این نسبت برای ستاره های پرجرم تر به ۷۵ درصد افزایش می یابد. در نتیجه، بقایای ستاره‌ای مانند ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها (که از مرگ ستارگان غول‌پیکر به وجود می‌آیند) نیز به صورت دوتایی وجود دارند، هم با ستارگان مرده دیگر و هم با ستاره‌های پرجرم.

با این حال، یکی از پیکربندی‌های دوتایی که ثابت شده است بسیار نادر است، یک ستاره نوترونی است که توسط ستاره‌ای شبیه به خورشید در گردش است. با استفاده از فضاپیمای گایا آژانس فضایی اروپا (ESA)، اخترشناسان جمعیت جدیدی از این سیستم‌های دوتایی گریزان را کشف کرده‌اند.

ستارگان نوترونی اغلب در حال چرخش به دور ستارگان معمولی مانند خورشید هستند، اما در مجاورت نزدیک که منجر به تغذیه این ستارگان مرده از همراهان خود مانند خون آشام های کیهانی می شود. چیزی که این کلاچ از ستاره‌های دوتایی ستاره‌های معمولی نوترونی را بسیار خاص می‌کند این است که آنها به طور گسترده‌تری از هم جدا شده‌اند و آنها را چیزی می‌سازد که می‌تواند درک ما را از نحوه تولد سیستم‌هایی مانند این به چالش بکشد.

کریم البادری، رهبر تیم اکتشاف، محقق مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین (CfA) به Space.com گفت: مدل‌های تکامل دوتایی پیش‌بینی می‌کنند که ستاره‌های نوترونی و ستاره‌های دوتایی معمولی باید عمدتاً در مدارهای تنگ به دنیا بیایند و ستاره نوترونی و همراهش تقریباً در تماس باشند. این دوتایی‌ها بسیار گسترده‌تر از این هستند، با تفکیک‌هایی در حدود ۳۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر اندازه ستاره‌ها.

این بدان معناست که ممکن است به مدل‌های دیگر شکل‌گیری ستاره‌های معمولی نوترونی نیاز باشد.

این ستارگان نوترونی در برابر تغذیه از همدم ستاره ای خود مقاومت می کنند

ستارگان نوترونی زمانی متولد می شوند که ستارگانی با جرم حداقل هشت برابر خورشید سوخت خود را برای همجوشی هسته ای تخلیه می کنند و به فشار بیرونی که آنها را در برابر فشار گرانش درونی خود پشتیبانی می کند، پایان می دهند.

با فروپاشی هسته چنین ستارگانی، لایه های بیرونی آنها در انفجارهای عظیم ابرنواختری منفجر می شود. این یک هسته ستاره ای با جرمی بین یک تا دو برابر خورشید، با عرضی در حدود ۱۲ مایل (۲۰ کیلومتر) بر جای می گذارد.

یکی از ستارگان نوترونی تازه کشف شده درست در لبه آن محدوده جرمی نظری قرار دارد و جرم آن ۱.۹ برابر خورشید است که آن را در میان پرجرم ترین ستاره های نوترونی دیده شده قرار می دهد.

آنچه در مورد این دوتایی ها واقعاً مهم است این است که آنها این سؤال را مطرح می کنند که چگونه از تبدیل یک ستاره به یک ستاره نوترونی جان سالم به در برده اند.

در طول این فرآیند، ستاره عظیم باید به شدت به همدم ستاره ای کوچک خود حمله می کرد، احتمالاً حتی به طور موقت آن را می بلعد. هنگامی که ستاره نوترونی به زودی در یک انفجار ابرنواختری منفجر شد، مدل‌های کنونی نشان می‌دهند که ستاره کوچکتر باید «دور می‌شد» و به وجود دوتایی پایان می‌داد.

البدری گفت: کشف این سیستم‌های جدید نشان می‌دهد که حداقل برخی از دوتایی‌ها از این فرآیندهای فاجعه‌بار جان سالم به در می‌برند، اگرچه مدل‌ها هنوز نمی‌توانند به طور کامل چگونگی آن را توضیح دهند.

وقتی ستاره‌های نوترونی در حال چرخش به دور ستاره‌های دنباله اصلی «زنده» یافت می‌شوند، تمایل دارند که مواد آن ستارگان را مانند خون‌آشام‌های کیهانی جدا کنند. این دوتایی ها قابل توجه هستند زیرا ستاره نوترونی و ستاره دنباله اصلی به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک هستند تا انتقال ماده را تسهیل کنند.

این ماده حرکت زاویه‌ای دارد، بنابراین نمی‌تواند مستقیماً به درون ستاره نوترونی بیفتد، در عوض یک ابر مسطح چرخان از مواد به نام «دیسک برافزایش» را تشکیل می‌دهد. در حالی که این ماده به تدریج از دیسک برافزایشی به ستاره نوترونی می رسد، نتیجه زمانی که به سطح برخورد می کند چیزی جز ملایم است. این فرآیند تغذیه آدمخوارانه می تواند در یک ثانیه به همان اندازه انرژی آزاد کند که یک میلیون سال طول می کشد تا خورشید تابش کند.

این انتشار انرژی، که بیشتر آن به جت‌های پرسرعت قدرتمند ریخته می‌شود، این دوتایی ستاره‌های اهداکننده نوترونی را به‌ویژه در طول موج‌های پرتو ایکس و رادیویی برای اخترشناسان بسیار آشکار می‌سازد. به دلیل نداشتن چنین گسیل‌هایی در سراسر طیف الکترومغناطیسی، دوتایی‌های دوتایی با ستارگان نوترونی خاموش و تاریک که به طور گسترده‌تری از هم جدا شده‌اند، گریزان‌تر بوده‌اند.

البدری گفت: ‘بیشتر ستاره های دوتایی نوترونی از طریق پرتوهای ایکس یا داده های رادیویی حاصل از برافزایش فعلی یا گذشته کشف می شوند.’ این ستارگان نوترونی چیزی جمع نکرده اند و اشعه ایکس یا رادیو در سطح قابل تشخیص تولید نمی کنند، بنابراین یافتن آنها دشوارتر است.

گایا به دلیل توانایی اندازه گیری دقیق موقعیت و حرکت میلیاردها ستاره در پس زمینه آسمان، قادر به انجام چنین اکتشافاتی است. ردیابی دقیق حرکت ستارگان تأثیرات گرانشی اعمال شده بر این ستارگان، که اجزای قابل مشاهده این دوتایی ها هستند، از همراهان ستاره نوترونی تاریک آنها را نشان می دهد، حتی اگر دو جرم در این دو به طور گسترده از هم جدا شده باشند.

این تأثیر به عنوان یک لرزش کوچک در حرکت ستاره ناشی از کشش همراه ستاره نوترونی تشخیص داده می شود. این اولین باری است که ستارگان نوترونی تنها از طریق تأثیر گرانشی آنها کشف می‌شوند.

البدری گفت: «گایا می‌تواند جابجایی‌های بسیار کوچک ستارگان از نوع خورشیدی را در صفحه آسمان تشخیص دهد و موقعیت آن‌ها را با دقتی قابل مقایسه با پهنای موی انسان که از فاصله ۳۰۰۰ مایلی [۵۰۰۰ کیلومتری] مشاهده می‌شود اندازه‌گیری کند». . این تنها مرکز نجومی است که در حال حاضر می تواند این کار را انجام دهد.

گایا در واقع به مدارهای گسترده تر و دوره های مداری طولانی تر این سیستم ها حساس تر است. البدری توضیح داد که اگر این ستارگان نوترونی به ستارگان همراه خود نزدیک‌تر بودند، تلاطمی که ایجاد می‌کنند برای فضاپیمای ESA بسیار کوچک بود که نمی‌توانست آن‌ها را ببیند.

گایا همچنین با این واقعیت که این دوتایی ها در فاصله ۳۰۰۰ سال نوری یا بیشتر به زمین نزدیک هستند، کمک می کند. شاید این فاصله بسیار زیادی به نظر برسد، اما در مقایسه با عرض ۱۰۰۰۰۰ سال نوری کهکشان راه شیری، نسبتاً کوچک است.

با وجود اینکه کشف ۲۱ مورد از این سیستم های دوتایی کار بزرگی است، البدری گفت بعید است که تفکر در مورد نادر بودن ستاره های دوتایی ستاره های معمولی نوترونی گسترده در کیهان تغییر کند.

او توضیح داد: ‘ما تخمین می زنیم که از هر میلیون ستاره خورشیدی، یک ستاره در مداری وسیع به دور یک ستاره نوترونی می چرخد.’ با این حال، ما از کشف آنها تعجب نکردیم! امیدوار بودیم که جمعیتی مانند این با گایا قابل تشخیص باشد، و شناسایی این اشیاء یکی از پروژه های اصلی گروه تحقیقاتی من در چند سال گذشته بوده است.

البدری توضیح داد که گام بعدی برای این تحقیق این است که تیم مدل‌هایی را برای کشف شکل‌گیری و تکامل آینده ستاره‌های نوترونی-ستاره عادی دوتایی گسترده بسازد.

محقق CfA همچنین قصد دارد از Gaia برای جستجوی دوتایی های گسترده با یک ستاره معمولی و یک سیاهچاله غیر تغذیه کننده استفاده کند.

البدری در پایان گفت: ‘ما به طور قطع نمی دانیم که این دوتایی های سیاهچاله نیز چگونه تشکیل شده اند.’ به وضوح در مدل‌های ما برای تکامل ستارگان دوتایی شکاف‌هایی وجود دارد. یافتن تعداد بیشتری از این همراهان تاریک و مقایسه آمار جمعیت آن‌ها با پیش‌بینی‌های مدل‌های مختلف به ما کمک می‌کند تا نحوه شکل‌گیری آن‌ها را با هم ترکیب کنیم.

Gaia قبلاً توانایی خود را در تشخیص سیاهچاله های ساکت و تاریک نشان داده است.

در آوریل ۲۰۲۳، گایا دو سیاهچاله تاریک به نام‌های Gaia BH1 و Gaia BH2 را شناسایی کرد که به ترتیب در فاصله ۱۵۶۰ سال نوری و ۳۸۰۰ سال نوری از زمین قرار داشتند. همین امسال تلسکوپ فضایی Gaia BH3 را در فاصله ۲۰۰۰ سال نوری از زمین کشف کرد. این سه سیاهچاله نزدیک به سیاره ما هستند که تاکنون کشف شده اند.

تحقیقات این تیم در ۲۵ تیر در مجله Open Journal of Astrophysics منتشر شده است.