Hệ thống nhị phân được điều tra bởi kính thiên văn SOAR do NOIRLab vận hành, hệ thống đầu tiên được tìm thấy trong giai đoạn phát triển áp chót của nó.

Sử dụng kính viễn vọng SOAR 4,1 mét ở Chile, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra ví dụ đầu tiên về một hệ nhị phân nơi một ngôi sao đang trong quá trình biến đổi thành sao lùn trắng xoay quanh ngôi sao neutron Điều đó vừa hoàn thành biến thành một máy quay nhanh pulsar. Cặp đôi này ban đầu được phát hiện bởi Kính viễn vọng Không gian Tia Gamma Fermi, và là “mắt xích còn thiếu” trong sự phát triển của các hệ nhị phân như vậy.

Một nguồn tia gamma sáng và bí ẩn đã được tìm thấy là một ngôi sao neutron quay nhanh – được mệnh danh là một ngôi sao mili giây – quay quanh một ngôi sao đang trong quá trình tiến hóa thành một ngôi sao lùn trắng có khối lượng cực thấp. Các nhà thiên văn gọi những loại hệ thống nhị phân này là “nhện” vì sao xung có xu hướng “ăn” các phần bên ngoài của ngôi sao đồng hành khi nó biến thành sao lùn trắng.

Bộ đôi này được các nhà thiên văn học phát hiện bằng kính thiên văn SOAR 4,1 mét trên Cerro Pachón ở Chile, một phần của Đài quan sát liên Mỹ Cerro Tololo (CTIO), một chương trình của NSF NOIRLab.

NASAKính viễn vọng không gian tia gamma Fermi đã lập danh mục các vật thể trong vũ trụ tạo ra nhiều tia gamma kể từ khi được phóng vào năm 2008, nhưng không phải tất cả các nguồn tia gamma mà nó phát hiện đều đã được phân loại. Một trong những nguồn này, được các nhà thiên văn gọi là 4FGL J1120.0-2204, là nguồn tia gamma sáng thứ hai trên toàn bộ bầu trời vẫn chưa được xác định.

Các nhà thiên văn từ Hoa Kỳ và Canada, dẫn đầu bởi Samuel Swehart thuộc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ ở Washington, DC, đã sử dụng Máy quang phổ Goodman trên kính thiên văn SOAR để xác định danh tính thực sự của 4FGL J1120.0-2204. Nguồn tia gamma, cũng phát ra tia X, được quan sát bởi kính viễn vọng không gian Swift của NASA và XMM-Newton của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, đã được chứng minh là một hệ thống nhị phân bao gồm một “pulsar mili giây” quay hàng trăm lần mỗi giây, và Giới thiệu về sao lùn trắng có khối lượng rất thấp. Cặp đôi này nằm cách xa hơn 2.600 năm ánh sáng.

Swihart nói: “Thời gian được phân bổ cho MSU trên kính thiên văn SOAR, vị trí của nó ở Nam bán cầu, và độ chính xác và ổn định của máy quang phổ Goodman là tất cả những khía cạnh quan trọng của khám phá này.

“Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách kính thiên văn cỡ trung bình nói chung và SOAR nói riêng, có thể được sử dụng để giúp mô tả những khám phá phi thường đã được thực hiện bằng cách sử dụng các phương tiện trên mặt đất và không gian khác”, Chris Davis, giám đốc của NOIRLab cho biết chương trình tại Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. “Chúng tôi kỳ vọng SOAR sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc theo đuổi nhiều nguồn đa thông điệp khác nhau theo thời gian trong thập kỷ tới.”

Quang phổ của hệ nhị phân được đo bằng máy quang phổ của Goodman cho thấy ánh sáng từ bạn đồng hành của sao lùn trắng sơ cấp là Doppler – chuyển luân phiên sang màu đỏ và xanh lam – cho thấy rằng nó quay quanh một ngôi sao neutron nhỏ gọn cứ 15 giờ một lần.

Swihart cho biết: “Quang phổ cũng cho phép chúng tôi giới hạn nhiệt độ và trọng lực bề mặt gần đúng của ngôi sao đồng hành. Điều này cho phép họ xác định rằng người bạn đồng hành là tiền thân của một sao lùn trắng có khối lượng cực thấp, với nhiệt độ bề mặt là 8.200 độ C (15.000 độ F) và khối lượng chỉ bằng 17% khối lượng của Mặt trời.

Khi một ngôi sao có khối lượng tương đương với Mặt trời hoặc nhỏ hơn kết thúc vòng đời của nó, hydro được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho các quá trình tổng hợp hạt nhân trong lõi của nó sẽ cạn kiệt. Trong một thời gian, helium dẫn đầu và tăng sức mạnh cho ngôi sao, khiến nó co lại và nóng lên, đẩy sự giãn nở và tiến hóa của nó thành một ngôi sao khổng lồ đỏ có kích thước hàng trăm triệu km. Cuối cùng, các lớp bên ngoài của ngôi sao bong bóng này có thể tích tụ trên một đồng hành nhị phân và phản ứng tổng hợp hạt nhân sẽ dừng lại, để lại một ngôi sao lùn trắng có kích thước gần bằng Trái đất và phun ra ở nhiệt độ vượt quá 100.000 độ C (180.000 độ F).

Sao lùn trắng sơ cấp trong hệ thống 4FGL J1120.0-2204 vẫn chưa kết thúc quá trình phát triển. Swihart cho biết: “Nó hiện đang phình ra và bán kính của nó lớn hơn khoảng 5 lần so với các sao lùn trắng thông thường có khối lượng tương tự. “Nó sẽ tiếp tục nguội đi và co lại, và trong khoảng hai tỷ năm nữa, nó sẽ trông giống hệt với nhiều sao lùn trắng có khối lượng rất thấp mà chúng ta đã biết.”

Các sao xung mili giây quay hàng trăm lần mỗi giây. Nó được quay bằng cách tích lũy vật chất từ ​​một người bạn đồng hành, trong trường hợp này là từ một ngôi sao đã trở thành một sao lùn trắng. Hầu hết các sao xung mili giây phát ra tia gamma và tia X, thường khi gió sao, một dòng hạt tích điện phát ra từ một ngôi sao neutron đang quay, va chạm với vật chất do một ngôi sao đồng hành phát ra.

Swihart cho biết: Khoảng 80 sao lùn trắng có khối lượng rất thấp đã được biết đến, nhưng “đây là điềm báo đầu tiên về một sao lùn trắng có khối lượng rất thấp được phát hiện có khả năng quay quanh một ngôi sao neutron”. Vì vậy, 4FGL J1120.0-2204 là một cái nhìn độc đáo ở cuối quá trình đạp xe này. Tất cả các sao lùn và sao xung khác đã được phát hiện đã bỏ qua giai đoạn quay.

Swihart nói: “Tiếp tục quang phổ bằng kính thiên văn SOAR, nhắm mục tiêu vào các nguồn tia gamma Fermi không liên quan, cho phép chúng tôi thấy rằng người bạn đồng hành đang quay quanh một cái gì đó,” Swihart nói. “Nếu không có những quan sát này, chúng tôi sẽ không thể tìm thấy hệ thống thú vị này.”

Tham khảo: “4FGL J1120.0-2204: Một ngôi sao neutron sáng nhị phân tia gamma độc đáo với một sao lùn trắng sơ cấp rất thấp” của Samuel J. Quách, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, Tạp chí Vật lý thiên văn.
arXiv: 2201.03589

Nhóm nghiên cứu bao gồm Samuel J. Swihart (Trợ lý Nghiên cứu tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia, Học viện Khoa học Quốc gia và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ, Washington, DC), Jay Strader (Trung tâm Dữ liệu Thiên văn Chuyên sâu và Miền thời gian, Khoa Vật lý và Thiên văn học, Michigan Đại học Bang), Elias Aydi (Khoa Vật lý, Đại học McGill, Canada), Laura Chomiuk (Viện Vũ trụ McGill, Đại học McGill, Canada), Kristen C. Dage (Viện Vũ trụ McGill và Khoa Vật lý, Đại học McGill, Canada), Adam Kawash (Trung tâm Dữ liệu Chuyên sâu và Niên đại Thiên văn Hiện trường, Khoa Vật lý và Thiên văn, Đại học Bang Michigan), Kirill F. Sokolovsky (Trung tâm Dữ liệu Chuyên sâu và Thiên văn Miền Thời gian, Khoa Vật lý và Thiên văn, Đại học Bang Michigan) và Elizabeth C. Ferrara (Khoa Thiên văn của Đại học Maryland và Trung tâm Khám phá và Nghiên cứu Không gian (CRESST) tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA).