ستاره‌شناسان سیاره‌ای را در حال بلعیدن یک کوتوله قهوه‌ای در یک ضیافت چند میلیارد ساله مشاهده کردند

اکثر سیارات، از جمله زمین، به دور ستارگان خود در مدارهای نسبتاً پایدار می‌چرخند. اما این تنظیمات صلح‌آمیز گاهی اوقات می‌توانند به طور خشونت‌آمیزی به پایان برسند. اگر سیاره‌ای بیش از حد به ستاره میزبان خود نزدیک شود، گرانش ستاره می‌تواند آن را به سمت داخل بکشد و در نهایت آن را ببلعد.

دانشمندان سیستم‌های سیاره‌ای متعددی با مدارهای پایدار و همچنین تعداد کمی ستاره را مشاهده کرده‌اند که در حال بلعیدن سریع همدمان سیاره‌ای خود هستند. اکنون، محققان چیزی را شناسایی کرده‌اند که بین این دو حالت قرار دارد.

در مطالعه‌ای که در تاریخ 5 اکتبر در Nature Astronomy منتشر شد، یک تیم بین‌المللی به رهبری دانشمندان MIT یک ستاره را توصیف می‌کند که به آرامی از یک کوتوله قهوه‌ای، جسمی با جرم بیشتر از یک سیاره معمولی اما به اندازه کافی جرم ندارد تا همجوشی هیدروژنی را که ستارگان معمولی را به کار می‌اندازد، حفظ کند، تغذیه می‌کند.

این سیستم، با نام ZTF J0440+2325، در کهکشان راه شیری ما در حدود 300 سال نوری قرار دارد. این اولین نمونه مشاهده شده از یک ستاره کم جرم است که به طور پیوسته ماده‌ای را از یک جسم کم جرم دیگر می‌گیرد.

به طرز شگفت‌انگیزی، انتقال ماده به نظر می‌رسد آنقدر آهسته است که ستاره می‌تواند برای صدها هزار سال، و حتی به طور بالقوه میلیاردها سال، به تغذیه از همدم خود ادامه دهد.

«وقتی به تعامل ستارگان با سیارات یا کوتوله‌های قهوه‌ای فکر می‌کنیم، تصویر همیشه این است که ستاره در نهایت چیز دیگر را می‌بلعد»، می‌گوید کوین بردج، استادیار فیزیک در MIT. «این اتفاقی است که برای زمین خواهد افتاد وقتی خورشید به یک غول سرخ تبدیل شود. اما در اینجا، ما جایگزینی را پیدا کرده‌ایم: به جای بلعیدن آن، ستاره می‌تواند به تدریج آن را بخورد، به مدت میلیاردها سال.»

تیم تحقیقاتی MIT شامل آرون هاوسهولدر، کایتلین شین، سول راپاپورت، جوهین چاکرابورتی و اما چیکلز است. همکاران اضافی از کال‌تک، دانشگاه هاوایی، Instituto de Astrofísica de Canarias و Universidad de La Laguna در اسپانیا و مرکز هاروارد-اسمیتسونیان برای اخترفیزیک مشارکت داشتند.

یک سیگنال مرموز که سال‌ها ستاره‌شناسان را گیج کرده است

اولین سرنخ این رابطه ستاره‌ای غیرمعمول از تأسیسات گذرا زویکی (ZTF)، یک بررسی نجومی است که به دنبال اشیایی است که درخشندگی آنها در طول زمان تغییر می‌کند.

ZTF با استفاده از یک تلسکوپ در رصدخانه پالومار در کالیفرنیا، بخش‌های بزرگی از آسمان شب را به طور مکرر عکاسی می‌کند. دوربین حساس آن می‌تواند تغییرات ناگهانی یا غیرمعمول در نور را که ممکن است نشان دهنده رویدادهای کیهانی قدرتمند، از جمله ستاره‌های منفجر شونده به نام ابرنواخترها، انفجارهای گاما و برخورد ستاره‌های نوترونی باشد، تشخیص دهد.

چند سال پیش، در حالی که بردج مشاهدات جمع‌آوری شده توسط ZTF را بررسی می‌کرد، با الگوی بسیار عجیبی روبرو شد.

ستاره‌شناسان از تغییرات در درخشندگی یک جسم با استفاده از نموداری به نام منحنی نور مطالعه می‌کنند. برای برخی از ابرنواخترها، این نمودارها یک شکل زنگوله‌ای مانند صاف را تشکیل می‌دهند زیرا ستاره منفجر شونده روشن‌تر و سپس به تدریج محو می‌شود.

سیگنالی که بردج با آن مواجه شد کاملاً متفاوت بود. به جای یک افزایش و کاهش صاف، درخشندگی به طور مکرر چیزی شبیه به یک مثلث را ردیابی می‌کرد.

«یادم می‌آید که اولین بار به این موضوع نگاه کردم و فکر کردم، ستارگان شکل موج مثلثی مانند این ایجاد نمی‌کنند»، او به یاد می‌آورد.

در آن زمان، بردج و همکارانش در حال بررسی سیگنال غیرمعمول دیگری بودند که معلوم شد از سیستمی به نام «بیوه سیاه» منشأ می‌گیرد.

این سیستم‌ها حاوی یک ستاره نوترونی، بقایای فوق‌العاده متراکم یک ستاره پرجرم هستند، که به سرعت می‌چرخد و در حالی که ماده را از یک همدم بسیار کوچکتر می‌گیرد، آن را از بین می‌برد. آنها به نام عنکبوت‌های بیوه سیاه نامگذاری شده‌اند، به دلیل نحوه نابودی تدریجی همدم خود توسط ستاره نوترونی.

بردج در ابتدا در نظر گرفت که آیا سیگنال مثلثی تکرار شونده ممکن است از سیستم بیوه سیاه دیگری بیاید یا خیر. با این حال، مشاهدات با آنچه که ستاره‌شناسان معمولاً انتظار دارند مطابقت نداشت.

در یک بیوه سیاه معمولی، تضاد شدید بین جرم‌های دو جسم باعث حرکت متمایزی می‌شود. همدم کوچکتر به سرعت در اطراف ستاره نوترونی بسیار سنگین‌تر می‌چرخد و تغییرات قابل تشخیص در نوری را که به زمین می‌رسد ایجاد می‌کند.

اما سیگنال مثلثی مرموز هیچ مدرکی از این حرکت مشخص نشان نداد.

«ما آنجا رفت و برگشت سریع را نمی‌دیدیم»، می‌گوید بردج. «معنا نداشت. ما نمی‌توانستیم بفهمیم این چیست.»

این تناقض باعث شد محققان احتمال دیگری را در نظر بگیرند. شاید این سیستم حاوی یک جسم بسیار پرجرم جفت شده با یک همدم بسیار سبک‌تر نباشد. در عوض، هر دو جسم ممکن است جرم‌های نسبتاً کمی داشته باشند و به آنها اجازه دهند با حرکت بسیار کمتری به دور یکدیگر بچرخند.

«اگر جرم کمتری در کل سیستم وجود داشته باشد، اشیا می‌توانند به آرامی به دور یکدیگر بچرخند بدون اینکه رفت و برگشت کنند»، می‌گوید بردج. «این ایده بود. اما ما هرگز هیچ مدرکی نداشتیم. و این مثلث عجیب فقط برای سال‌ها نشست.»

یک کوتوله قهوه‌ای که هر 87 دقیقه به دور ستاره خود می‌چرخد

در نهایت، بردج و آرون هاوسهولدر، دانشجوی دکتری در بخش علوم زمین، جوی و سیاره‌ای MIT، به سیگنال توضیح داده نشده بازگشتند.

با استفاده از مشاهدات اصلی ZTF، آنها منبع آن را جسمی در حدود 300 سال نوری در راه شیری شناسایی کردند. سپس چندین تلسکوپ را به سمت این سیستم، ZTF J0440+2325، هدایت کردند تا خواص آن را با جزئیات بیشتری بررسی کنند.

یک اندازه‌گیری کلیدی شامل تعیین میزان حرکت اشیاء سیستم در پاسخ به جاذبه متقابل آنها بود. اگرچه محققان کمی لرزش را تشخیص دادند، اما بسیار کمتر از حرکتی بود که معمولاً با بیوه سیاه همراه است.

«این نقطه عطف اصلی برای این سیستم بود»، می‌گوید هاوسهولدر. «وقتی آن لرزش را اندازه‌گیری کردیم، متوجه شدیم که با یک بیوه سیاه روبرو نیستیم. این یک ستاره کم جرم است که توسط یک کوتوله قهوه‌ای در مدار است. لرزش دامنه بسیار کمی داشت که چیز دیگری نمی‌توانست باشد.»

مشاهدات دو جسم غیرمعمولاً جمع و جور را نشان داد که در فاصله بسیار نزدیکی به یکدیگر در مدار هستند.

ستاره مرکزی تقریباً 85 برابر جرم مشتری است، در حالی که کوتوله قهوه‌ای حدود 25 جرم مشتری وزن دارد. برای مقایسه، خورشید بیش از 1000 برابر جرم مشتری است.

کوتوله قهوه‌ای یک دور کامل به دور ستاره میزبان خود را در عرض تنها 87 دقیقه کامل می‌کند. مدار آن آنقدر کوچک است که در قطر خورشید جای می‌گیرد.

این آرایش فوق‌العاده نزدیک نشان می‌داد که گرانش ممکن است چیزی فراتر از نگه داشتن اشیاء در مدار انجام دهد. محققان مشکوک بودند که ستاره ممکن است به طور فعال ماده‌ای را از کوتوله قهوه‌ای می‌گیرد.

دانشمندان یک شکل جدید از آدم‌خواری ستاره‌ای را کشف می‌کنند

هنگامی که یک جسم نجومی گاز یا مواد دیگری را از جسم دیگری می‌گیرد، ستاره‌شناسان به این فرآیند اصطلاحاً «افزایش» می‌گویند.

افزایش به ویژه در سیستم‌هایی که شامل سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی هستند، آشنا است. اگرچه این اشیاء می‌توانند بسیار پرجرم باشند، اما ابعاد فیزیکی آنها نسبتاً کوچک است. ماده‌ای که به سمت یک سیاهچاله می‌افتد اغلب قبل از حرکت به سمت داخل، یک دیسک چرخان را در اطراف آن تشکیل می‌دهد.

اما ZTF J0440+2325 به نظر متفاوت عمل می‌کند.

به جای اینکه یک سیاهچاله یا ستاره نوترونی ماده را جمع‌آوری کند، یک ستاره کم جرم معمولی ماده‌ای را از یک کوتوله قهوه‌ای دریافت می‌کند. از آنجایی که ستاره سطح فیزیکی بسیار بزرگ‌تری نسبت به یک جسم جمع و جور مانند یک سیاهچاله دارد، ماده ورودی می‌تواند مستقیماً به آن برخورد کند.

«تفاوت اینجاست که چیزی که ماده را جذب می‌کند یک سیاهچاله کوچک نیست، بلکه ستاره‌ای است که از نظر اندازه نسبتاً بزرگ است»، توضیح می‌دهد بردج. «بنابراین ماده مستقیماً با سرعت بسیار بالا به سطح برخورد می‌کند، مانند یک سیارک که به ماه برخورد می‌کند.»

برای بررسی اینکه آیا این اتفاق واقعاً می‌افتد یا خیر، محققان شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از این سیستم ایجاد کردند.

آنها ذراتی را که از کوتوله قهوه‌ای منشأ می‌گیرند، مدل‌سازی کردند و نحوه حرکت آن ذرات تحت تأثیر گرانش هر دو جسم را محاسبه کردند. شبیه‌سازی‌ها خواص اندازه‌گیری شده ستاره و همدم آن و همچنین معادلات فیزیکی حاکم بر حرکت مداری را در بر گرفت.

نتایج از فرضیه تیم پشتیبانی کرد. موادی که از کوتوله قهوه‌ای خارج می‌شدند، مسیرهایی را دنبال می‌کردند که آنها را مستقیماً به سمت ستاره می‌برد.

«وقتی این ذرات آزمایشی را ردیابی می‌کنیم، می‌بینیم که در واقع روی سطح ستاره می‌افتند»، می‌گوید هاوسهولدر. «این اولین باری است که یک ستاره کم جرم را در حال افزایش فعال از یک جسم کم جرم دیگر می‌بینیم.»

یک ضیافت کیهانی که می‌تواند به مدت میلیاردها سال ادامه داشته باشد

تیم همچنین تخمین زد که کوتوله قهوه‌ای با چه سرعتی ماده را از دست می‌دهد.

بر اساس محاسبات آنها، ستاره حدود یک صدم جرم زمین را هر سال مصرف می‌کند.

این مقدار ممکن است ناچیز به نظر برسد، اما نشان دهنده مقدار بسیار زیادی ماده است. محققان آن را با حدود 40 میلیون کامیون مواد مقایسه می‌کنند یا حدود 1.3 تریلیون بوریتوی یک پوندی در هر ثانیه.

با وجود این ارقام سرسام آور، کوتوله قهوه‌ای آنقدر پرجرم است که این از دست دادن ماده تنها بخش کوچکی از جرم کل آن را تشکیل می‌دهد.

در اصطلاحات نجومی، فرآیند تغذیه به طرز چشمگیری تدریجی است.

بر اساس خواص سیستم و نرخ تخمینی انتقال جرم، محققان معتقدند که ستاره می‌تواند برای میلیاردها سال به گرفتن ماده از همدم خود ادامه دهد.

به جای یک برخورد ناگهانی و فاجعه‌بار که جسم کوچکتر را از بین می‌برد، ستاره به نظر می‌رسد که جریان نسبتاً پایداری از ماده را از همسایه‌اش حفظ می‌کند.

این تحقق همچنین به توضیح الگوی مثلثی عجیب و غریبی کمک کرد که در ابتدا توجه بردج را به خود جلب کرد.

هنگامی که ماده از کوتوله قهوه‌ای به سمت ستاره جریان می‌یابد، با سرعت بالایی به سطح ستاره برخورد می‌کند و یک منطقه به شدت گرم ایجاد می‌کند.

این نقطه داغ مانند یک شعله دائمی روی ستاره عمل می‌کند.

همانطور که کوتوله قهوه‌ای در مدار 87 دقیقه‌ای خود می‌چرخد، نقطه داغ به طور مکرر در و خارج از دید ناظر می‌چرخد. این تغییرات در دید، الگوی متمایز روشن شدن و کم شدن را ایجاد می‌کنند که ستاره‌شناسان برای درک آن تلاش کرده بودند.

«انگار یک شعله دائمی روی یکی از اشیاء وجود دارد و با چرخش یکی به دور دیگری، آن نقطه داغ وارد و خارج از دید می‌شود و اوج سیگنال مثلثی زمانی است که مستقیماً به شعله نگاه می‌کنید»، توضیح می‌دهد بردج.

یک سیستم ستاره‌ای عجیب و غریب پنجره جدیدی به تکامل سیاره‌ای باز می‌کند

با توضیح نهایی الگوی مثلثی، محققان اکنون به شناسایی سایر سیستم‌های ستاره‌ای که به طور مشابه رفتار می‌کنند علاقه‌مند هستند.

تا به امروز، مشاهدات تعاملات نزدیک بین ستارگان و همدمان سیاره‌ای خود عمدتاً بر مدارهای پایدار یا رویدادهای بلعیدن نسبتاً سریع تأکید داشته است.

ZTF J0440+2325 نشان می‌دهد که احتمال دیگری وجود دارد. در شرایط مناسب، یک ستاره کوچک می‌تواند به طور پیوسته ماده‌ای را از یک کوتوله قهوه‌ای بدون از بین بردن فوری آن استخراج کند.

یافتن نمونه‌های اضافی می‌تواند به ستاره‌شناسان کمک کند تا تعیین کنند که این فرآیند چقدر رایج است، چقدر می‌تواند ادامه یابد و در نهایت چه اتفاقی برای اشیایی که در چنین روابط نزدیکی گرفتار شده‌اند می‌افتد.

این کشف همچنین می‌تواند بینش‌های جدیدی در مورد تکامل سیارات و کوتوله‌های قهوه‌ای که در نزدیکی ستارگان میزبان خود می‌چرخند، ارائه دهد.

«این الهام بخش بسیاری از جستجوهای جدید از طرف ما است»، می‌گوید هاوسهولدر. «فکر می‌کنم قرار است چیزهای زیادی در مورد یک روش متفاوت از تعامل سیارات و کوتوله‌های قهوه‌ای با ستارگان میزبان خود یاد بگیریم.»

این تحقیق با حمایت جزئی از بنیاد ملی علوم انجام شد.