Binære stjerner er overalt omkring os, nyt kort over solenergikvarter viser

De seneste stjernedata fra Gaia-rumobservatoriet har for første gang gjort det muligt for astronomer at generere et massivt 3-D-atlas af vidt adskilte binære stjerner inden for ca. 000 lysår af Jorden - 1,3 millioner af dem.

Det enestående atlas, skabt af Kareem El-Badry, en astrofysisk ph.d. studerende fra University of California, Berkeley, bør være en velsignelse for dem, der studerer binære stjerner - som udgør mindst halvdelen af ​​alle sollignende stjerner - og hvide dværge, exoplaneter og stjerneudvikling, generelt. Før Gaia, den sidste samling af nærliggende binære stjerner, samlet ved hjælp af data fra den nu hedengangne ​​Hipparcos-satellit, omfattede omkring 200 sandsynlige par.

"Dette er bare en massiv stigning i stikprøvestørrelsen, " sagde El-Badry. "Og det er en stigning i, hvilke slags evolutionære faser vi finder binærerne i. I vores prøve, vi har 17, 000 hvide dværge alene. Dette er en meget større folketælling."

Hvide dværge er slutstadierne for de fleste stjerner; solen vil sandsynligvis ende som en kompakt hvid dværg om 5 milliarder år. El-Badrys atlas indeholder 1, 400 systemer, der består af to hvide dværge og 16, 000 binære filer, der består af en hvid dværg og en anden type stjerne

Langt størstedelen af ​​de 2,6 millioner individuelle stjerner er stadig i livets bedste alder, imidlertid. Astronomer omtaler dem som hovedsekvensstjerner, fordi de klynger sig langs en linje, når de er plottet på en graf, der viser temperatur kontra lysstyrke.

Med så stor en stikprøvestørrelse, El-Badry sagde, det er muligt at lave befolkningsdemografi for disse stjernetvillinger, stille spørgsmål som:Hvad er fordelingen af ​​masseforhold mellem de to stjerner i alle disse binære systemer? Hvordan er deres adskillelser eller excentriciteter fordelt?

El-Badry planlægger i fremtiden at fokusere på den hvide dværg-binære, fordi hvide dværge kan tildeles en alder mere præcist, end det er muligt med almindelige stjerner. Hovedsekvensstjerner som solen kan se ens ud for milliarder, eller endda titusindvis af milliarder, af år, mens hvide dværge forandrer sig – for én ting, de afkøles med en veldefineret hastighed. Og da binære par fødes på samme tid, alderen på den hvide dværg fortæller astronomerne alderen på dens hovedsekvens-tvilling, eller af nogen planeter omkring stjernerne.

"For en hvid dværg, generelt, det er let at se, hvor gammel den er – ikke kun hvor gammel siden den blev en hvid dværg, men hvad dens samlede alder er, " sagde han. "Du kan også måle deres masser, fordi hvide dværge har et velforstået masse-radius forhold."

Som et eksempel, El-Badry og kolleger brugte for nylig Gaia-dataene til at estimere alderen på en gasgigant på størrelse med Jupiter, opdaget af TESS-satellitten omkring et hvidt dværg-K-dværgpar. Den exoplanet, TOI-1259Ab, viste sig at være omkring 4 milliarder år gammel, baseret på den hvide dværgs alder.

"I dette katalog, der er noget i retning af 15 systemer som dette:stjerne plus planet plus hvid dværg, " han sagde, "og der er endnu et par hundrede, der er stjerne plus planet plus en anden stjerne. De er også potentielt interessante, fordi i nogle tilfælde, den anden stjerne vil gøre noget dynamisk ved planeten."

Det nye katalog over nærliggende binære stjerner er blevet accepteret til offentliggørelse i tidsskriftet Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

El-Badry samarbejdede også med Jackie Faherty, en videnskabsmand og underviser ved American Museum of Natural History i New York City, at skabe en videogennemgang af alle de millioner binære stjerner rundt om Jorden, som repræsenterer en god del af hele Mælkevejsgalaksen.

Binære stjerner

Indtil Gaia blev opsendt af European Space Agency i 2013 for præcist at måle afstande og bevægelser af millioner af nærliggende stjerner, den eneste måde at finde binære filer var at lede efter stjerner tæt sammen på himlen. Det kan være svært, fordi stjerner, der ser meget tæt på Jorden, kan være hundreder til tusinder af lysår fra hinanden, blot sidder langs samme linje af webstedet.

At udelukke en tilfældig justering kræver masser af observationstid for at bekræfte, at de to kandidater faktisk er på samme afstand og bevæger sig sammen. På grund af jordens bevægelse omkring solen, nærliggende stjerner ser ud til at ændre position på himlen, og den parallakse kan bruges til at beregne hvor langt væk de er. Stjernens bevægelse hen over himlen, kendt som proper motion, hjælper med at bestemme dens hastighed.

Gaia udfører denne kedelige astrometri kontinuerligt for alle nærliggende stjerner på himlen, 24/7, fra sin bane ved Jord-Sol Lagrange-punktet. Rumteleskopets undersøgelse er mest nyttig for stjerner inden for omkring 3, 000 lysår af Jorden, imidlertid, fordi ud over det, parallaksen er normalt for lille til at måle.

El-Badry ledte først efter binære stjerner i Gaia-data efter missionens anden udgivelse af stjernemålinger i 2018, med hjælp fra kolleger Hans-Walter Rix, direktør for Max-Planck Institut for Astronomi i Heidelberg, Tyskland, og Tyler Heintz, en kandidatstuderende ved Boston University. De udviklede beregningsteknikker til at identificere stjerner, der bevæger sig sammen gennem rummet og i samme afstand fra Jorden. Teknikken projicerer dybest set hver stjernes bevægelse over tusinder af år, baseret på sin egentlige bevægelse i dag, og trækker stjerner ud, der bevæger sig i samme retning. Hvis de også viser sig at være i samme afstand baseret på parallakse, de er sikkert bundet til hinanden, han sagde.

Han og hans kolleger fokuserer primært på bred-binære - dem adskilt af en afstand på 10 AU (astronomiske enheder) eller mere - dvs. 10 eller flere gange afstanden mellem Jorden og solen (93 millioner miles). Stjerner tættere på end det optræder typisk som ét lyspunkt og kræver andre spektroskopiske teknikker for at skelne, om de er ægte binære.

For at få det første knæk på Gaias seneste data, El-Badry opstod kl. 03.00 på udgivelsesdatoen, 3. december sidste år, og sluttede sig til omkring 100 andre astronomer fra hele verden på Zoom. Han kørte hurtigt forprogrammerede forespørgsler på dataene for at udtrække de katalogoplysninger, han havde brug for for at skabe 3-D-kortet.

De første forespørgsler returnerede omkring 1,8 millioner binære kandidater fra Gaias katalog med 1,8 milliarder stjerner, så El-Badry måtte først vurdere sandsynligheden for, at nogle af parrene var på samme afstand og bevægede sig i lignende retninger ved et tilfælde, ikke fordi de er parret. Han anslår, at næsten 1,3 millioner par havde mindst 90 % chance for at blive bundet, og 1,1 millioner havde en chance på 99%.

"Omkring halvdelen af ​​alle sollignende stjerner er binære stjerner, mange af dem for tæt på at skelne, men vi finder noget i retning af 25 % af alle sollignende stjerner har en binær følgesvend ved adskillelser på mere end 30 AU, om afstanden til Pluto, " sagde han. "Fordelingen topper ved en adskillelse på 30 eller 50 AU."

Nogle par er adskilt med så meget som en parsec—260, 000 AU, eller 3,26 lysår - selvom de fleste er inden for 1, 000 AU af hinanden.

En takeaway, han sagde, er, at den nye analyse bekræfter noget antydet i 2018-dataene:Mange binære stjernepar er meget ens i massen.

"En ting, vi allerede har fundet, er cool - vi opdagede dette med Gaia DR2, men nu kan vi studere det bedre med denne prøve - er, at binære filer kan lide at være enæggede tvillinger, " sagde han. "Det er virkelig mærkeligt, fordi de fleste af disse er adskilt af hundreder eller tusinder af AU, så de er så langt fra hinanden, at ved konventionelle stjernedannelsesteorier, deres masser skal være tilfældige. Men dataene fortæller en anden historie:De ved noget om deres ledsageres masser."

Implikationen, han sagde, er, at de dannede sig meget tættere sammen i en proces, der havde en tendens til at udligne deres masser og derefter migrerede fra hinanden, måske på grund af interaktioner med andre nærliggende stjerner.

Samlingen af ​​binære stjerner gjorde det også muligt for El-Badry at kontrollere de rapporterede usikkerheder i Gaias målinger af stjernernes positioner, som kan hjælpe andre forskere, der bruger dataene.