Sultne, sultne hvide dværge:Løsning af puslespillet med stjernemetalforurening

Døde stjerner kendt som hvide dværge har en masse som solen, mens de svarer til jordens størrelse. De er almindelige i vores galakse, da 97 % af stjernerne med tiden vil blive hvide dværge. Efterhånden som stjerner når slutningen af ​​deres liv, kollapser deres kerne i den tætte kugle af en hvid dværg, hvilket får vores galakse til at virke som en æterisk kirkegård.

På trods af deres udbredelse har den kemiske sammensætning af disse stjernerester været en gåde for astronomer i årevis. Tilstedeværelsen af ​​tungmetalelementer – som silicium, magnesium og calcium – på overfladen af ​​mange af disse kompakte objekter er en forvirrende opdagelse, der trodser vores forventninger til stjernernes adfærd.

"Vi ved, at hvis disse tungmetaller er til stede på overfladen af ​​den hvide dværg, er den hvide dværg tæt nok til, at disse tungmetaller meget hurtigt skulle synke mod kernen," forklarer JILA-studerende Tatsuya Akiba. "Så du bør ikke se nogen metaller på overfladen af ​​en hvid dværg, medmindre den hvide dværg aktivt spiser noget."

Mens hvide dværge kan forbruge forskellige objekter i nærheden, såsom kometer eller asteroider (kendt som planetesimaler), er forviklingerne af denne proces endnu ikke fuldt ud undersøgt. Men denne adfærd kan være nøglen til at opklare mysteriet om en hvid dværgs metalsammensætning, hvilket potentielt kan føre til spændende afsløringer om hvid dværgs dynamik.

I resultater rapporteret i et nyt papir i The Astrophysical Journal Letters, Akiba mener sammen med JILA Fellow og University of Colorado Boulder Astrophysical and Planetary Sciences professor Ann-Marie Madigan og bachelorstuderende Selah McIntyre, at de har fundet en grund til, hvorfor disse stjernernes zombier spiser deres nærliggende planetesimaler. Ved hjælp af computersimuleringer simulerede forskerne den hvide dværg, der modtog et "natal kick" under sin dannelse (som er blevet observeret) forårsaget af asymmetrisk massetab, hvilket ændrede dens bevægelse og dynamikken i ethvert omgivende materiale.

I 80 % af deres testkørsler observerede forskerne, at kometernes og asteroidernes kredsløb inden for et område på 30 til 240 AU fra den hvide dværg (svarende til afstanden mellem sol og Neptun og længere) blev forlænget og justeret. . Desuden kommer omkring 40 % af de efterfølgende spiste planetesimaler fra modsat roterende (retrograde) baner.

Forskerne udvidede også deres simuleringer til at undersøge den hvide dværgs dynamik efter 100 millioner år. De fandt ud af, at den hvide dværgs nærliggende planetesimaler stadig havde aflange baner og bevægede sig som én sammenhængende enhed, et resultat, der aldrig er set før.

"Dette er noget, jeg synes er unikt ved vores teori:vi kan forklare, hvorfor tilvækstbegivenhederne er så langvarige," siger Madigan. "Mens andre mekanismer kan forklare en original tilvæksthændelse, viser vores simuleringer med kicket, hvorfor det stadig sker hundreder af millioner af år senere."

Disse resultater forklarer, hvorfor tungmetallerne findes på overfladen af ​​en hvid dværg, da den hvide dværg konstant forbruger mindre genstande på sin vej.

Det handler om tyngdekraften

Da Madigans forskningsgruppe på JILA fokuserer på gravitationsdynamik, virkede det som et naturligt studiefokus at se på tyngdekraften omkring hvide dværge.

"Simuleringer hjælper os med at forstå dynamikken i forskellige astrofysiske objekter," siger Akiba. "Så i denne simulering kaster vi en masse asteroider og kometer rundt om den hvide dværg, som er betydeligt større, og ser, hvordan simuleringen udvikler sig, og hvilke af disse asteroider og kometer den hvide dværg spiser."

Forskerne håber at kunne tage deres simuleringer til større skalaer i fremtidige projekter og se på, hvordan hvide dværge interagerer med større planeter.

Som Akiba uddyber:"Andre undersøgelser har antydet, at asteroider og kometer, de små kroppe, måske ikke er den eneste kilde til metalforurening på den hvide dværgs overflade. Så de hvide dværge spiser måske noget større, som en planet."

Opdag mere om dannelse af solsystem

Disse nye fund afslører yderligere mere om dannelsen af ​​hvide dværge, hvilket er vigtigt for at forstå, hvordan solsystemer ændrer sig over millioner af år. De hjælper også med at kaste lys over vores solsystems oprindelse og fremtidige udvikling og afslører mere om den involverede kemi.

"Langt de fleste planeter i universet vil ende med at kredse om en hvid dværg," siger Madigan. "Det kan være, at 50 % af disse systemer bliver spist af deres stjerne, inklusive vores eget solsystem. Nu har vi en mekanisme til at forklare, hvorfor dette ville ske."

"Planetesimaler kan give os indsigt i andre solsystemer og planetariske sammensætninger ud over, hvor vi bor i vores solområde," tilføjer McIntyre. "Hvide dværge er ikke bare en linse ind i fortiden. De er også en slags linse ind i fremtiden."

Rettelsesnote (5/5/2024):I den originale tekst står sætningen "De er almindelige i vores galakse, da 97 % af stjernerne er hvide dværge." er forkert. Den nøjagtige udsagn bør være:"De er almindelige i vores galakse, da 97 % af stjerner med tiden vil blive hvide dværge."

Flere oplysninger: Tatsuya Akiba et al., Tidevandsafbrydelse af planetesimaler fra en excentrisk affaldsskive efter et fødselsspark med hvid dværg, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad394c

Journaloplysninger: Astrofysiske journalbreve

Leveret af JILA