Chińscy astronomowie namierzyli wyjątkowo lekki układ podwójny gwiazd neutronowych

Zespół badaczy zidentyfikował parę gwiazd neutronowych, która wyróżnia się na tle innych znanych układów podwójnych niezwykle niską sumaryczną masą przy jednocześnie bardzo ciasnej orbicie. Obiekt oznaczony jako PSR J1856–0039 odkryto za pomocą chińskiego radioteleskopu FAST, a kolejne obserwacje potwierdziły, że mamy do czynienia z dwiema gwiazdami neutronowymi krążącymi wokół wspólnego środka masy. Naukowcy z Chin prowadzili monitoring przez pięć lat, co pozwoliło im wyliczyć masy obu ciał oraz uchwycić zmiany w ich ruchu orbitalnym. Ustalono już, że system traci energię w sposób zgodny z przewidywaniami teorii Einsteina.

Impulsy radiowe niczym GPS

Gwiazdy neutronowe to niezwykle zwarte pozostałości po masywnych gwiazdach, które zakończyły swój żywot w eksplozji. Niektóre z nich funkcjonują jako pulsary - wirują wokół własnej osi i emitują wiązki fal radiowych, które regularnie docierają do Ziemi. W przypadku PSR J1856-0039 ten sygnał umożliwia śledzenie zarówno obrotu pulsara, jak i jego wędrówki wokół towarzysza. Dzięki temu astronomowie nie muszą bezpośrednio obserwować samych gwiazd, aby zbadać ich orbitę - wystarczy analiza momentów docierania impulsów i sposobu, w jaki zmieniają się one w kolejnych okrążeniach.

Kluczową rolę w odkryciu i dalszych badaniach odegrał radioteleskop FAST, zlokalizowany w południowo-zachodnich Chinach. Instrument obserwował obiekt podczas 17 sesji rozłożonych na lata 2020-2025, dzięki czemu zebrano 253 pomiary czasu dotarcia impulsów, na bazie których zbudowano model ruchu układu. Wychwycenie sygnału jest zadaniem wymagającym, zwłaszcza że jego siła waha się między poszczególnymi sesjami - z pomocą przychodzi tu wysoka czułość radioteleskopu. Zanim przystąpiono do modelowania, badacze skalibrowali dane, biorąc pod uwagę wpływ sprzętu na polaryzację oraz charakterystykę odbioru w danym paśmie. Tak przygotowany materiał trafił do dalszej analizy w programie Tempo2.

Efekty relatywistyczne i test straty energii

Naukowcy wskazali trzy zjawiska, które pozwalają opisać orbitę znacznie precyzyjniej niż klasyczne prawa Keplera. Pierwszym z nich jest stopniowe skracanie się okresu orbitalnego, czyli czasu potrzebnego gwiazdom na pełne okrążenie. Drugim jest precesja peryastronu - powolna zmiana położenia punktu, w którym obiekty znajdują się najbliżej siebie. Trzecim efektem jest opóźnienie Einsteina, czyli niewielkie przesunięcie czasu dotarcia impulsów wynikające z relatywistycznego upływu czasu w układzie.

Zgodnie z ogólną teorią względności krążąca para gwiazd neutronowych wypromieniowuje fale grawitacyjne - zaburzenia czasoprzestrzeni unoszące ze sobą część energii układu. W efekcie gwiazdy stopniowo się do siebie zbliżają, a okres orbitalny ulega skróceniu. Wszystkie wymienione, zmierzone efekty posłużyły wraz z modelem relatywistycznym do wyznaczenia mas obu gwiazd oraz do porównania obserwowanego tempa zaniku orbity z przewidywaniami teorii. Również same masy obliczono w oparciu o ogólną teorię względności. Teoria Einsteina po raz kolejny przeszła test pomyślnie.

Nie dwie, a jedna gwiazda neutronowa?

Łączna masa układu wynosząca około 2,49 masy Słońca stanowi cechę wyróżniającą PSR J1856-0039 na tle innych znanych podwójnych systemów gwiazd neutronowych. Z wyliczeń badaczy wynika, że obiekty połączą się za około 82 miliony lat. Co nastąpi później? Według modeli efektem tego połączenia będzie powstanie stabilnej gwiazdy neutronowej. Nie wyklucza się jednak scenariusza, w którym nowo powstały obiekt - po spowolnieniu rotacji - zapadnie się ostatecznie w czarną dziurę. Które z rozwiązań się sprawdzi, pozostaje na razie niewiadomą.

W kolejnym etapie badacze planują zmierzyć efekt Lensego-Thirringa, czyli wpływ wirującej gwiazdy na otaczającą ją czasoprzestrzeń oraz na ruch orbitalny. Naukowcy liczą, że dzięki temu uda się wyznaczyć moment bezwładności gwiazdy neutronowej - wielkość zależną od sposobu rozłożenia jej masy. Tego rodzaju pomiar wymaga jednak długotrwałego i wymagającego monitoringu, który może potrwać nawet około 10 lat. Na razie badacze dysponują czymś wyjątkowym: niezwykle lekkim układem, w którym udało się zmierzyć efekty relatywistyczne na orbicie nadającej się do testowania różnych teorii. To system bez precedensu w skali całego znanego nam kosmosu.