W kosmosie większość gwiazd jest zorganizowana w pary. Chociaż nasze Słońce jest samotne, wiele gwiazd podobnych do Słońca orbituje wokół innych gwiazd. Szczególnie interesujące są kombinacje, takie jak czarne dziury, które krążą wokół siebie. Jednak rzadką kombinacją jest ta między gwiazdą podobną do Słońca a gwiazdą neutronową.

Zespół astronomów pod kierownictwem Kareema El-Badry'ego z Caltech zidentyfikował 21 układów podwójnych, w których gwiazdy neutronowe krążą wokół gwiazd podobnych do Słońca. Gwiazdy neutronowe to gęste jądra masywnych gwiazd, które przeszły eksplozję supernowej. Te gwiazdy są ciemne i bardzo słabe, co utrudnia ich bezpośrednią obserwację. Chociaż są znacznie masywniejsze niż gwiazdy podobne do Słońca, obie gwiazdy krążą wokół wspólnego środka masy. W rezultacie gwiazdy neutronowe powodują niewielkie zmiany w położeniu swoich gwiezdnych partnerów.

Dzięki misji Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej astronomowie byli w stanie odkryć tę nową populację ciemnych gwiazd neutronowych. Misja Gaia nieustannie skanuje niebo, mierząc drobne przesunięcia ponad miliarda gwiazd, co zwiększa szanse na znalezienie rzadkich obiektów.

Nowe wyniki
Badanie, opublikowane w czasopiśmie The Open Journal for Astrophysics, wykorzystuje dane z kilku teleskopów naziemnych, w tym Obserwatorium W. M. Kecka na Maunakea na Hawajach, Obserwatorium La Silla w Chile i Obserwatorium Whipple w Arizonie. Te teleskopy pomogły potwierdzić obserwacje misji Gaia i umożliwiły bardziej szczegółowe badanie mas i orbit ukrytych gwiazd neutronowych.

Chociaż gwiazdy neutronowe były wcześniej wykrywane na orbitach wokół gwiazd podobnych do Słońca, te układy są zwykle znacznie bardziej zwarte. W takich układach gwiazda neutronowa może przejmować masę od swojego gwiezdnego towarzysza, co powoduje emisję jasnych promieni rentgenowskich lub fal radiowych. W przeciwieństwie do tego, gwiazdy neutronowe w tym badaniu są znacznie bardziej oddalone od swoich partnerów, około jednej do trzech razy odległości między Ziemią a Słońcem, co oznacza, że nie dochodzi do transferu masy i pozostają ciemne.

Efekty grawitacyjne
Te gwiazdy neutronowe zostały wykryte wyłącznie z powodu ich efektów grawitacyjnych. "Są to pierwsze gwiazdy neutronowe odkryte wyłącznie z powodu ich efektów grawitacyjnych," mówi El-Badry. Odkrycie jest zaskakujące, ponieważ nie jest jasne, jak eksplodująca gwiazda może skończyć w pobliżu gwiazdy podobnej do Słońca.

"Wciąż nie mamy pełnego modelu, jak powstają te układy podwójne," wyjaśnia El-Badry. Zasadniczo progenitor gwiazdy neutronowej powinien stać się ogromny i oddziaływać z gwiazdą podobną do Słońca podczas swojej późnej ewolucji. Ogromna gwiazda prawdopodobnie tymczasowo obejmie mniejszą gwiazdę. Później progenitor gwiazdy neutronowej eksploduje jako supernowa, co według modeli powinno rozerwać układy podwójne, wysyłając gwiazdy neutronowe i gwiazdy podobne do Słońca w przeciwnych kierunkach.

Nieoczekiwane odkrycia
"Odkrycie tych nowych układów pokazuje, że przynajmniej niektóre układy podwójne przetrwają te kataklizmowe procesy, chociaż modele wciąż nie mogą w pełni wyjaśnić, jak," mówi El-Badry.

Gaia była w stanie znaleźć tych niezwykłych partnerów dzięki ich szerokim orbitom i długim okresom. Gwiazdy podobne do Słońca krążą wokół gwiazd neutronowych z okresami od sześciu miesięcy do trzech lat. "Jeśli ciała są zbyt blisko, ich ruch będzie zbyt mały do wykrycia," mówi El-Badry. "Dzięki misji Gaia jesteśmy bardziej wrażliwi na szersze orbity." Gaia jest również najbardziej wrażliwa na układy podwójne, które są stosunkowo blisko Ziemi. Większość nowo odkrytych układów znajduje się w odległości 3.000 lat świetlnych od Ziemi - co jest stosunkowo niewielką odległością w porównaniu do średnicy Drogi Mlecznej wynoszącej 100.000 lat świetlnych.

Te nowe obserwacje sugerują również, jak rzadkie są takie pary. "Szacujemy, że około jeden na milion gwiazd podobnych do Słońca krąży wokół gwiazdy neutronowej na szerokiej orbicie," powiedział El-Badry.

Ciemne czarne dziury
El-Badry bada również niewidzialne uśpione czarne dziury na orbitach z gwiazdami podobnymi do Słońca. Korzystając z danych z misji Gaia, znalazł dwie takie ciche czarne dziury ukryte w naszej galaktyce. Jedna z nich, nazwana Gaia BH1, jest najbliższą znaną czarną dziurą Ziemi, oddaloną tylko o 1.600 lat świetlnych.

"Wciąż nie wiemy dokładnie, jak powstały te układy podwójne czarnych dziur," mówi El-Badry. "Istnieją oczywiste luki w naszych modelach ewolucji układów podwójnych gwiazd. Znalezienie większej liczby tych ciemnych towarzyszy i porównanie ich statystyk populacyjnych z przewidywaniami różnych modeli pomoże nam zrozumieć, jak się one formują."

Praca zatytułowana "A population of neutron star candidates in wide orbits from Gaia astrometry" została sfinansowana przez Narodową Fundację Nauki, Europejską Radę ds. Badań Naukowych oraz Fundację Gordona i Betty Moore. Inni autorzy z Caltech to doktorantka Natsuko Yamaguchi i profesor astronomii Andrew Howard. Dodatkowymi autorami są Hans-Walter Rix i René Andrae z Instytutu Maxa Plancka ds. Astronomii, David Latham i Allyson Bieryla z Centrum Astrofizyki/Harvard & Smithsonian, Sahar Shahaf z Instytutu Naukowego Weizmann, Tsevi Mazeh z Uniwersytetu w Tel Awiwie; Lars Buchhave z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego, Howard Isaacson z UC Berkeley i Uniwersytetu Southern Queensland; Alessandro Savino z UC Berkeley i Ilya Ilyin z Instytutu Astrofizyki Leibniz w Poczdamie.

Źródło: California Institute of Technology