Att söka i universum efter konstiga nya stjärnsystem kan leda till några ganska intressanta fynd. Och ibland, det kan dyka upp fenomen som motsäger allt vi tror oss veta om bildning och utveckling av stjärnor. Sådana fynd är inte bara fascinerande och spännande, de ger oss chansen att expandera och förfina våra modeller av hur universum kom till.

Till exempel, en nyligen genomförd studie utförd av ett internationellt team av forskare har visat hur den senaste upptäckten av binära system – en millisekundspulsar och en vit dvärg med låg massa (LMWD) – har trotsat konventionella idéer om stjärnutveckling. Medan sådana system troddes ha cirkulära banor tidigare, den vita dvärgen i just denna binära kretsar runt pulsaren med extrem excentricitet!

För att bryta ner det, konventionell visdom säger att LMWDs är produkten av binär evolution. Anledningen till detta är att under normala omständigheter, en sådan stjärna – med låg massa men otrolig densitet – skulle bara bildas efter att den har förbrukat allt sitt kärnbränsle och förlorat sina yttre lager som en planetarisk nebulosa. Med tanke på denna stjärnas massa, detta skulle ta ungefär 100 miljarder år att ske av sig självt – dvs längre än universums ålder.

Som sådan, de tros allmänt vara resultatet av att de paras ihop med andra stjärnor – speciellt, millisekunds radiopulsarer (MSP). Dessa är en distinkt population av neutronstjärnor som har snabba spinperioder och magnetfält som är flera storleksordningar svagare än "normala" pulsarer. Dessa egenskaper tros vara resultatet av massöverföring med en sällskapsstjärna.

I grund och botten, MSP:er som kretsar runt av en stjärna kommer långsamt att ta bort dem från sin massa, suger av deras yttre lager och gör dem till en vit dvärg. Tillsatsen av denna massa till pulsaren får den att snurra snabbare och begraver dess magnetfält, och strippar också följeslagaren till en vit dvärg. I detta scenario, excentriciteten för omloppsbanan för LMWD runt pulsaren förväntas vara försumbar.

Dock, när man tittar på det binära stjärnsystemet PSR J2234+0511, det internationella laget märkte något helt annat. Här, de hittade en vit dvärg med låg massa parad med en millisekundspulsar som den vita dvärgen kretsade om med en period av 32 dagar och en extrem excentricitet (0,13). Eftersom detta trotsar nuvarande modeller av vita dvärgstjärnor, teamet började leta efter förklaringar.

Som Dr. John Antoniadis – en forskare från Dunlap Institute vid University of Toronto och huvudförfattaren till studien – sa till universe Today via e-post:

"Millisekundspulsar-LMWD-binärer är mycket vanliga. Enligt det etablerade bildningsscenariot, dessa system utvecklas från röntgenbinärer med låg massa där en neutronstjärna samlar materia från en jättestjärna. Så småningom, denna stjärna utvecklas till en vit dvärg och neutronstjärnan blir en millisekundspulsar. På grund av de starka tidvattenkrafterna under massöverföringsepisoden, banorna för dessa system är extremt cirkulära, med excentriciteter på ~0,000001 eller så."

För deras studiers skull, som dök upp nyligen i Astrofysisk tidskrift – med titeln "An Excentric Binary Millisecond Pulsar with a Helium White Dwarf Companion in the Galactic Field" – teamet förlitade sig på nyligen erhållen optisk fotometri av systemet som tillhandahålls av Sloan Digital Sky Survey (SDSS), och spektroskopi från Very Large Telescope från Palomar Observatory i Chile.

Dessutom, de konsulterade nyare studier som tittade på andra binära stjärnsystem som visar samma typ av excentrisk relation. "Vi känner nu till 5 system som avviker från denna bild genom att de har excentriciteter på ~0,1, dvs flera storleksordningar större än vad som förväntas i standardscenariot, sade Antoniadis. Intressant nog, de verkar alla ha liknande excentriciteter och omloppsperioder."

Från detta, de kunde sluta sig till temperaturen (8600 ± 190 K) och hastigheten (km/s) för den vita dvärgens följeslagare i det binära stjärnsystemet. Kombinerat med begränsningar för de två kroppens massor – 0,28 solmassor för den vita dvärgen och 1,4 för pulsaren – såväl som deras radier och ytgravitation, de testade sedan tre möjliga förklaringar till hur detta system kom till.

Dessa inkluderade möjligheten att neutronstjärnor (som den milsekundspulsar som observeras här) bildas genom en ackretioninducerad kollaps av en massiv vit dvärg. Liknande, de övervägde om neutronstjärnor genomgår en omvandling när de samlar material, vilket resulterar i att de blir kvarkstjärnor. Under denna process, frigörandet av gravitationsenergi skulle vara ansvarig för att inducera den observerade excentriciteten.

Andra, de ansåg möjligheten – i överensstämmelse med nuvarande modeller av stjärnutveckling – att LMWD inom ett visst massintervall har starka stjärnvindar när de är mycket unga (på grund av instabil vätefusion). Teamet tittade därför på om dessa starka stjärnvindar kunde ha varit det som störde pulsarens omloppsbana tidigare i systemets historia.

Sista, de övervägde möjligheten att en del av det material som släppts ut från den vita dvärgen tidigare (på grund av samma stjärnvind) kunde ha bildat en kortlivad cirkumbinär skiva. Denna skiva skulle då fungera som en tredje kropp, störa systemet och öka excentriciteten i den vita dvärgens bana. I slutet, de ansåg att de två första scenarierna var osannolika, eftersom massan som härleddes för pulsarfadern inte var förenlig med någon av modellen.

Dock, det tredje scenariot, där interaktion med en cirkumbinär disk var ansvarig för excentriciteten, överensstämde med deras antagna parametrar. Vad mer, det tredje scenariot förutsäger hur (inom ett visst massintervall) att det inte ska finnas några cirkulära binärer med liknande omloppsperioder – vilket stämmer överens med alla kända exempel på sådana system. Som Dr. Antoniadis förklarade:

"Dessa observationer visar att följeslagaren i detta system verkligen är en vit dvärg med låg massa. Dessutom, pulsarens massa verkar vara för låg för #2 och lite för hög för #1. Vi studerar också omloppsbanan för binären i Vintergatan, och det ser väldigt likt det vi hittar för röntgenbinärer med låg massa. Dessa bevis tillsammans gynnar diskhypotesen."

Självklart, Dr. Antoniadis och hans kollegor medger att mer information behövs innan deras hypotes kan anses vara korrekt. Dock, bör deras resultat bekräftas av framtida forskning, då förutser de att det kommer att vara ett värdefullt verktyg för framtida astronomer och astrofysiker som vill studera interaktionen mellan binära stjärnsystem och cirkumbinära skivor.

Dessutom, upptäckten av detta binära system med hög excentricitet kommer att göra det lättare att mäta massorna av vita dvärgar med låg massa med extrem precision under de kommande åren. Detta borde i sin tur hjälpa astronomer att bättre förstå egenskaperna hos dessa stjärnor och vad som leder till att de bildas.

Som historien har lärt oss, För att förstå universum krävs ett seriöst engagemang för processen med kontinuerlig upptäckt. Och ju mer vi upptäcker, ju främmande det verkar bli, tvingar oss att ompröva vad vi tror att vi vet om det.