ستاره شناسان MIT ستاره ای را در تعطیلاتی که می تواند میلیاردها سال طول بکشد، شکار کرده اند

بیشتر سیارات، از جمله زمین، در مدارهای نسبتاً پایداری به دور ستارگان خود سفر می کنند. اما این توافقات مسالمت آمیز گاهی می تواند به خشونت ختم شود. اگر سیاره ای بیش از حد به ستاره میزبان خود نزدیک شود، گرانش ستاره می تواند آن را به سمت داخل بکشد و در نهایت آن را غرق کند.

دانشمندان بسیاری از منظومه‌های سیاره‌ای را با مدارهای ثابت، همراه با تعداد کمی از ستارگان مشاهده کرده‌اند که به سرعت در حال بلعیدن همراهان سیاره‌ای خود هستند. اکنون محققان چیزی را شناسایی کرده اند که بین این دو افراط قرار می گیرد.

در مطالعه ای که در 5 اکتبر در نجوم طبیعی، یک تیم بین المللی به رهبری دانشمندان MIT ستاره ای را توصیف می کند که به آرامی از یک کوتوله قهوه ای تغذیه می کند، جسمی که جرم بیشتری نسبت به یک سیاره معمولی دارد اما به اندازه کافی برای پشتیبانی از همجوشی هیدروژنی که ستارگان معمولی را نیرو می دهد، جرم ندارد.

این سیستم با نام ZTF J0440+2325 در کهکشان راه شیری ما در فاصله حدود 300 سال نوری قرار دارد. این اولین نمونه مشاهده شده از یک ستاره کم جرم است که دائماً مواد را از یک جسم کم جرم دیگر جمع می کند.

حتی قابل توجه تر، به نظر می رسد انتقال مواد به قدری آهسته اتفاق می افتد که ستاره می تواند صدها هزار سال، حتی میلیاردها سال، از همدم خود تغذیه کند.

کوین برگ، استادیار فیزیک در MIT می‌گوید: «وقتی به ستارگانی فکر می‌کنیم که با سیارات یا کوتوله‌های قهوه‌ای تعامل دارند، همیشه تصویر این است که ستاره در نهایت چیز دیگری را می‌بلعد. زمانی که خورشید به یک غول سرخ تبدیل شود، این همان اتفاقی است که برای زمین خواهد افتاد. اما در اینجا ما یک جایگزین پیدا کردیم: به جای اینکه این چیز را ببلعد، ستاره می تواند به تدریج آن را طی میلیاردها سال بخورد.

تیم تحقیقاتی MIT همچنین شامل Aaron Householder، Caitlin Shinn، Saul Rappaport، Johin Chakraborty و Emma Chickles است. همکاران اضافی از Caltech، دانشگاه هاوایی، Instituto de Astrofísica de Canarias و Universidad de La Laguna در اسپانیا، و مرکز هاروارد-اسمیتسونیان برای اخترفیزیک کمک کردند.

سیگنالی مرموز که سال ها ستاره شناسان را متحیر کرده است

اولین سرنخ از این رابطه غیرمعمول بین ستارگان از تأسیسات گذرا Zwicky (ZTF) بدست آمد، یک بررسی نجومی که به دنبال اجرامی می گردد که روشنایی آنها با زمان تغییر می کند.

ZTF با کار با تلسکوپ در رصدخانه پالومار در کالیفرنیا، بارها از بخش های بزرگی از آسمان شب عکس گرفت. دوربین حساس آن می‌تواند تغییرات ناگهانی یا غیرعادی در نور را که می‌تواند رویدادهای کیهانی قدرتمندی از جمله ستاره‌های در حال انفجار به نام ابرنواختر، انفجار پرتو گاما و برخورد بین ستاره‌های نوترونی را نشان دهد، تشخیص دهد.

چند سال پیش، وقتی مشاهدات جمع‌آوری‌شده توسط ZTF را مرور می‌کرد، برج متوجه الگوی عجیبی شد.

ستاره شناسان با استفاده از نموداری به نام منحنی نور، تغییرات در روشنایی یک جسم را مطالعه می کنند. برای برخی از ابرنواخترها، این نمودارها با درخشان شدن ستاره در حال انفجار و سپس محو شدن تدریجی، شکل گرد و زنگ مانندی را تشکیل می دهند.

سیگنالی که بورگ با آن مواجه شد کاملاً متفاوت به نظر می رسید. به جای افزایش و کاهش هموار، روشنایی به طور مکرر چیزی شبیه مثلث را مشخص می کند.

او به یاد می آورد: «به یاد دارم که ابتدا به این موضوع نگاه کردم و فکر کردم که ستاره ها امواج مثلثی را به این شکل نمی سازند.

در آن زمان، برج و همکارانش در حال بررسی سیگنال غیرمعمول دیگری بودند که مشخص شد از سیستمی به نام “دودویی بیوه سیاه” منشأ می گیرد.

این سیستم‌ها حاوی یک ستاره نوترونی هستند، باقیمانده‌ای بسیار متراکم از یک ستاره عظیم که به سرعت در حال چرخش است، زیرا مواد را از یک همراه بسیار کوچکتر می‌ریزد. آنها به خاطر روشی که ستاره نوترونی به تدریج شریک خود را از بین می برد، از عنکبوت های بیوه سیاه نامگذاری شده اند.

Burge در ابتدا به این فکر کرد که آیا سیگنال مثلثی تکراری ممکن است از یک سیستم بیوه سیاه دیگر می آید یا خیر. با این حال، رصدها انتظارات اخترشناسان را برآورده نکرد.

در یک باینری بیوه سیاه معمولی، کنتراست قوی بین جرم های دو جسم حرکت متمایز ایجاد می کند. قمر کوچکتر به سرعت در اطراف ستاره نوترونی بسیار سنگین تر حرکت می کند و تغییرات قابل توجهی در نوری که به زمین می رسد ایجاد می کند.

اما سیگنال مرموز مثلثی هیچ شواهدی از همان حرکت واضح نشان نداد.

برگ می‌گوید: «ما این رفت و برگشت را اینجا ندیدیم. “این معنی نداشت. ما نمی توانستیم توضیح دهیم که چیست.”

این اختلاف باعث شد تا محققان احتمال دیگری را در نظر بگیرند. شاید این سیستم شامل یک جسم بسیار عظیم همراه با یک همراه بسیار سبک تر نباشد. در عوض، هر دو جرم ممکن است جرم نسبتاً کوچکی داشته باشند که به آنها اجازه می دهد با حرکت بسیار کمتری به دور یکدیگر بچرخند.

برج می‌گوید: «اگر در کل سیستم جرم کمتری داشته باشید، اشیا می‌توانند کمی به دور یکدیگر بچرخند بدون اینکه به جلو و عقب حرکت کنند. “این ایده بود. اما ما هرگز هیچ مدرکی نداشتیم. و این مثلث عجیب سال ها آنجا بود.”

یک کوتوله قهوه ای که هر 87 دقیقه به دور ستاره خود می چرخد

سرانجام، برج و آرون هاوسلدر، دانشجوی فارغ التحصیل دپارتمان زمین، جو و علوم سیاره ای MIT، به سیگنال غیرقابل توضیح بازگشتند.

آنها با استفاده از مشاهدات اصلی ZTF، منبع آن را به عنوان یک جرم تقریباً 300 سال نوری در کهکشان راه شیری شناسایی کردند. آنها سپس چندین تلسکوپ را به سمت سیستم ZTF J0440+2325 نشانه رفتند تا خواص آن را با جزئیات بیشتر بررسی کنند.

یک اندازه گیری کلیدی شامل تعیین میزان حرکت اجسام سیستم در پاسخ به جاذبه گرانشی متقابل آنها بود. اگرچه محققان مقداری لرزش را تشخیص دادند، اما بسیار کمتر از حرکتی بود که معمولاً با باینری‌های بیوه سیاه همراه است.

Householder می گوید: «آن لحظه تعیین کننده واقعی برای این سیستم بود. “وقتی این لرزش را اندازه‌گیری کردیم، متوجه شدیم که یک بیوه سیاه را نمی‌بینیم. این یک ستاره کم‌جرم بود که به دور یک کوتوله قهوه‌ای می‌چرخد. دامنه ارتعاش آنقدر کوچک بود که نمی‌توانست چیز دیگری باشد.”

مشاهدات دو جسم فشرده غیرمعمول را نشان داد که در فاصله بسیار نزدیک به دور آنها می چرخند.

جرم ستاره مرکزی تقریباً 85 برابر مشتری است، در حالی که جرم کوتوله قهوه ای حدود 25 جرم مشتری است. در مقایسه، جرم خورشید بیش از 1000 برابر مشتری است.

کوتوله قهوه ای تنها در 87 دقیقه یک چرخش کامل به دور ستاره میزبان خود کامل می کند. کل مدار آن به قدری کوچک است که در قطر خورشید قرار می گیرد.

این آرایش بسیار نزدیک نشان می دهد که گرانش ممکن است چیزی بیش از نگه داشتن اجسام در مدار انجام دهد. محققان مشکوک بودند که ستاره ممکن است به طور فعال ماده را از کوتوله قهوه ای بکشد.

دانشمندان شکل جدیدی از آدمخواری ستاره ای را کشف کردند

هنگامی که یک شی نجومی گاز یا مواد دیگری را از دیگری می کشد، اخترشناسان این فرآیند را برافزایش می نامند.

برافزایش به‌ویژه در سیستم‌هایی که سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی را شامل می‌شوند، به خوبی شناخته شده است. اگرچه این اجسام می توانند بسیار عظیم باشند، اما ابعاد فیزیکی آنها نسبتاً کوچک است. برای مثال، موادی که به سمت یک سیاه‌چاله می‌افتند، اغلب قبل از حرکت به سمت داخل، یک دیسک چرخان در اطراف آن تشکیل می‌دهند.

اما به نظر می رسد ZTF J0440+2325 متفاوت عمل می کند.

به جای اینکه یک سیاهچاله یا ستاره نوترونی ماده برافزایش پیدا کند، یک ستاره معمولی کم جرم مواد را از یک کوتوله قهوه ای نزدیک دریافت می کند. از آنجایی که سطح فیزیکی ستاره بسیار بزرگتر از یک جسم فشرده مانند سیاهچاله است، مواد ورودی می توانند مستقیماً به آن برخورد کنند.

بورگ توضیح می‌دهد: «تفاوت در اینجا این است که چیزی که ماده را جذب می‌کند یک سیاه‌چاله کوچک نیست، بلکه ستاره‌ای است که اندازه نسبتاً بزرگی دارد. بنابراین ماده مستقیماً با سرعت بسیار بالا مانند برخورد سیارکی با ماه به سطح برخورد می کند.

برای بررسی اینکه آیا این واقعا اتفاق می افتد یا خیر، محققان شبیه سازی های کامپیوتری سیستم را ایجاد کردند.

آنها ذراتی را که از کوتوله قهوه ای سرچشمه می گیرند مدل کردند و محاسبه کردند که چگونه این ذرات تحت تأثیر گرانشی این دو جسم حرکت می کنند. شبیه سازی ها شامل خواص اندازه گیری شده ستاره و همراه آن به همراه معادلات فیزیکی حاکم بر حرکت مداری است.

نتایج از سوء ظن تیم حمایت کرد. ماده ای که از کوتوله قهوه ای خارج می شود مسیرهایی را دنبال می کند که مستقیماً آن را به سمت ستاره می برد.

Householder می‌گوید: «وقتی این ذرات آزمایشی را دنبال می‌کنیم، می‌بینیم که آنها واقعاً روی سطح ستاره می‌افتند. این اولین باری است که ستاره‌ای کم‌جرم را که به‌طور فعال از جسم کم‌جرم دیگری برافراشته می‌شود، گرفتیم.»

یک جشن کیهانی که می تواند میلیاردها سال طول بکشد

این تیم همچنین تخمین زد که کوتوله قهوه ای با چه سرعتی مواد خود را از دست می دهد.

طبق محاسبات آنها، این ستاره هر سال حدود یک صد هزارم جرم زمین را جذب می کند.

این مقدار ممکن است ناچیز به نظر برسد، اما نشان دهنده حجم عظیمی از مواد است. محققان آن را با تقریباً 40 میلیون کامیون کمپرسی یا حدود 1.3 تریلیون بوریتو یک کیلوگرمی در هر ثانیه مقایسه کردند.

با وجود این اعداد خیره کننده، کوتوله قهوه ای آنقدر عظیم است که این تلفات مادی تنها بخش کوچکی از جرم کل آن را نشان می دهد.

از نظر نجومی، روند غذا خوردن به طرز شگفت انگیزی تدریجی است.

بر اساس ویژگی‌های سیستم و سرعت انتقال جرم مورد انتظار، محققان بر این باورند که ستاره می‌تواند به استخراج ماده از همراه خود برای میلیاردها سال ادامه دهد.

به نظر می رسد ستاره به جای یک برخورد ناگهانی و فاجعه بار که جسم کوچکتر را از بین می برد، جریان نسبتاً ثابتی از مواد را از همسایه خود حفظ می کند.

این درک همچنین به توضیح الگوی نور مثلثی عجیبی که برای اولین بار توجه برگ را به خود جلب کرد کمک کرد.

همانطور که ماده از کوتوله قهوه‌ای به سمت ستاره جریان می‌یابد، با سرعت زیاد به سطح ستاره برخورد می‌کند و ناحیه‌ای بسیار گرم ایجاد می‌کند.

این نقطه داغ مانند یک توپ آتشین ثابت روی ستاره عمل می کند.

همانطور که کوتوله قهوه ای در مدار 87 دقیقه ای خود حرکت می کند، نقطه داغ به طور مکرر به داخل و خارج از دید ناظر می چرخد. این تغییرات در دید، الگویی متمایز از درخشندگی و کم نور شدن را ایجاد می کند که اخترشناسان برای درک آن تلاش کرده اند.

بورگ توضیح می‌دهد: «مثل این است که شما این گلوله آتشین پیوسته را روی یکی از اجسام دارید، و وقتی یکی به دور دیگری می‌چرخد، آن نقطه داغ به داخل و خارج می‌شود، و اوج سیگنال مثلث زمانی است که مستقیماً به توپ آتشین نگاه می‌کنید.»

یک منظومه ستاره ای عجیب پنجره جدیدی را به روی تکامل سیاره ای باز می کند

با توضیح نهایی سیگنال مثلثی، محققان اکنون علاقه مند به شناسایی منظومه های ستاره ای دیگر هستند که رفتار مشابهی دارند.

تاکنون، مشاهدات برهمکنش‌های نزدیک بین ستاره‌ها و همراهان سیاره‌ای آن‌ها، مدارهای پایدار یا رویدادهای جذب نسبتاً سریع را تا حد زیادی برجسته کرده است.

ZTF J0440+2325 نشان می دهد که احتمال دیگری وجود دارد. تحت شرایط مناسب، یک ستاره کوچک می‌تواند به طور پیوسته ماده را از یک کوتوله قهوه‌ای مجاور استخراج کند، بدون اینکه فوراً آن را از بین ببرد.

یافتن مثال‌های اضافی می‌تواند به اخترشناسان کمک کند تا مشخص کنند این فرآیند چقدر رایج است، چقدر می‌تواند دوام بیاورد، و در نهایت برای اجرام گرفتار در چنین روابط بسیار نزدیک چه اتفاقی می‌افتد.

این کشف همچنین ممکن است بینش جدیدی در مورد تکامل سیارات و کوتوله های قهوه ای که به دور ستاره هایشان می چرخند ارائه دهد.

Householder می‌گوید: «این الهام بخش بسیاری از جستجوهای جدید در انتهای ما شده است. من فکر می‌کنم در مورد روش‌های متفاوتی که سیاره‌ها و کوتوله‌های قهوه‌ای با ستاره‌های میزبان خود تعامل دارند، چیزهای زیادی یاد خواهیم گرفت.»

این تحقیق حمایت جزئی از بنیاد ملی علوم دریافت کرد.