Utilizzando il telescopio SOAR da 4,1 metri in Cile, gli astronomi hanno scoperto il primo esempio di sistema binario in cui una stella in procinto di diventare una nana bianca è in orbita attorno a una stella di neutroni che ha appena finito di trasformarsi in una pulsar in rapida rotazione. La coppia, originariamente rilevata dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi, è un “anello mancante” nell’evoluzione di tali sistemi binari.
Il sistema binario che emette potenti raggi gamma è il primo ad essere trovato al penultimo stadio della sua evoluzione
È stato scoperto che una luminosa e misteriosa sorgente di raggi gamma è una stella di neutroni in rapida rotazione – soprannominata pulsar di millisecondi – che orbita attorno a una stella in procinto di evolversi in una nana bianca di massa estremamente bassa.
Questi tipi di sistemi binari sono indicati dagli astronomi come “ragni” perché la pulsar tende a “mangiare” le parti esterne della stella compagna mentre si trasforma in una nana bianca.
Il duo è stato rilevato dagli astronomi utilizzando il telescopio SOAR da 4,1 metri sul Cerro Pachón in Cile, parte del Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), un programma del NOIRLab di NSF.
Il telescopio spaziale Fermi Gamma-ray della NASA ha catalogato oggetti nell’Universo che producono abbondanti raggi gamma sin dal suo lancio nel 2008, ma non tutte le sorgenti di raggi gamma che rileva sono state classificate. Una di queste sorgenti, chiamata dagli astronomi 4FGL J1120.0-2204, era la seconda sorgente di raggi gamma più luminosa dell’intero cielo che non era stata identificata, fino ad ora.
Gli astronomi degli Stati Uniti e del Canada, guidati da Samuel Swihart del US Naval Research Laboratory di Washington, DC, hanno utilizzato lo spettrografo Goodman sul telescopio SOAR per determinare la vera identità di 4FGL J1120.0-2204. La sorgente di raggi gamma, che emette anche raggi X, come osservato dai telescopi spaziali Swift della NASA e XMM-Newton dell’ESA, ha dimostrato di essere un sistema binario costituito da una “pulsar di un millisecondo” che ruota centinaia di volte al secondo, e il precursore di una nana bianca di massa estremamente bassa. La coppia si trova a oltre 2600 anni luce di distanza.
“Il tempo dedicato dalla Michigan State University al telescopio SOAR, la sua posizione nell’emisfero meridionale e la precisione e stabilità dello spettrografo Goodman, sono stati tutti aspetti importanti di questa scoperta”, ha affermato Swihart.
“Questo è un ottimo esempio di come i telescopi di medie dimensioni in generale, e SOAR in particolare, possono essere utilizzati per aiutare a caratterizzare scoperte insolite fatte con altre strutture terrestri e spaziali”, ha osservato Chris Davis, Direttore del programma NOIRLab presso la US National Science Fondazione.
“Prevediamo che SOAR svolgerà un ruolo cruciale nel follow-up di molte altre fonti variabili nel tempo e multi-messaggero nel prossimo decennio”.
Lo spettro ottico del sistema binario, misurato dallo spettrografo Goodman, ha mostrato che la luce della compagna nana proto-bianca è spostata in Doppler – spostata alternativamente al rosso e al blu – indicando che orbita attorno a una stella di neutroni compatta e massiccia ogni 15 ore.
“Gli spettri ci hanno anche permesso di limitare la temperatura approssimativa e la gravità superficiale della stella compagna”, ha affermato Swihart, il cui team è stato in grado di prendere queste proprietà e applicarle a modelli che descrivono come si evolvono i sistemi stellari binari. Ciò ha permesso loro di determinare che il compagno è il precursore di una nana bianca di massa estremamente bassa, con una temperatura superficiale di 8200 °C (15.000 ° F) e una massa di appena il 17% di quella del Sole.
Quando una stella con una massa simile a quella del Sole o inferiore raggiunge la fine della sua vita, esaurirà l’idrogeno utilizzato per alimentare i processi di fusione nucleare nel suo nucleo. Per un certo periodo, l’elio prende il sopravvento e alimenta la stella, provocandone la contrazione e il riscaldamento, e provocandone l’espansione e l’evoluzione in una gigante rossa grande centinaia di milioni di chilometri. Alla fine, gli strati esterni di questa stella gonfia possono essere accumulati su una compagna binaria e la fusione nucleare si interrompe, lasciando dietro di sé una nana bianca delle dimensioni della Terra e sfrigolante a temperature superiori a 100.000 °C (180.000 ° F).
La nana proto-bianca nel sistema 4FGL J1120.0-2204 non ha ancora finito di evolversi. “Attualmente è gonfio e ha un raggio circa cinque volte più grande delle normali nane bianche con masse simili”, ha affermato Swihart. “Continuerà a raffreddarsi e contrarsi e, tra circa due miliardi di anni, sembrerà identico a molte delle nane bianche di massa estremamente ridotta che già conosciamo”.
Le pulsar di millisecondi volteggiano centinaia di volte al secondo. Sono filate dalla materia di accrescimento da un compagno, in questo caso dalla stella che è diventata la nana bianca. La maggior parte delle pulsar di millisecondi emettono raggi gamma e raggi X, spesso quando il vento pulsar, che è un flusso di particelle cariche emanate dalla stella di neutroni rotante, si scontra con il materiale emesso da una stella compagna.
Sono note circa 80 nane bianche di massa estremamente bassa, ma “questo è il primo precursore di una nana bianca di massa estremamente bassa trovata che probabilmente orbita attorno a una stella di neutroni”, ha affermato Swihart.
Di conseguenza, 4FGL J1120.0-2204 è uno sguardo unico alla coda di questo processo di spin-up. Tutti gli altri binari nana bianca-pulsar che sono stati scoperti sono ben oltre la fase di rotazione.
“La spettroscopia di follow-up con il telescopio SOAR, mirando a sorgenti di raggi gamma Fermi non associate, ci ha permesso di vedere che il compagno stava orbitando qualcosa”, ha detto Swihart. “Senza queste osservazioni, non avremmo potuto trovare questo sistema entusiasmante”.
La ricerca è stata pubblicata sul server di prestampa arxiv.
