Observationer gjorda med ett nytt instrument utvecklat för användning vid 2,1-meters (84-tum) teleskopet vid National Science Foundations Kitt Peak National Observatory har lett till upptäckten av den snabbast förmörkande vita dvärg-binären hittills känt. Klockar in med en omloppstid på endast 6,91 minuter, de snabbt kretsande stjärnorna förväntas vara en av de starkaste källorna till gravitationsvågor som kan detekteras med LISA, den framtida rymdbaserade gravitationsvågsdetektorn.

Stjärnornas täta "Afterlives".

Efter att ha expanderat till en röd jätte i slutet av sitt liv, en stjärna som solen kommer så småningom att utvecklas till en tät vit dvärg, ett föremål med en massa som solens sammanpressade till en storlek jämförbar med jorden. Liknande, när binära stjärnor utvecklas, de kan uppsluka sin följeslagare i den röda jättefasen och spiralera nära varandra, så småningom lämnar efter sig en nära vit dvärgbinär. Vita dvärgbinärer med mycket snäva banor förväntas vara starka källor för gravitationsvågstrålning. Även om det förväntas vara relativt vanligt, sådana system har visat sig svårfångade, med endast ett fåtal identifierade hittills.

Rekordsättande vit dvärg binär

En ny undersökning av natthimlen, pågår för närvarande vid Palomar Observatory och Kitt Peak National Observatory, håller på att förändra denna situation.

Varje natt, Caltechs Zwicky Transient Facility (ZTF), en undersökning som använder 48-tums teleskopet vid Palomar Observatory, söker igenom himlen efter föremål som rör sig, blinka, eller på annat sätt variera i ljusstyrka. Lovande kandidater följs upp med ett nytt instrument, Kitt Peak 84-tums Electron Multiplying Demonstrator (KPED), vid Kitt Peak 2,1-metersteleskopet för att identifiera korttidsförmörkande binärer. KPED är designad för att med hastighet och känslighet mäta den förändrade ljusstyrkan hos himmelska källor.

Detta tillvägagångssätt har lett till upptäckten av ZTF J1539+5027 (eller J1539 för kort), en vit dvärg förmörkande binär med den kortaste perioden hittills känt, bara 6,91 minuter. Stjärnorna kretsar så nära varandra att hela systemet kan passa inom planeten Saturnus diameter.

"När den mörkare stjärnan passerar framför den ljusare, det blockerar det mesta av ljuset, vilket resulterar i det sju minuters blinkande mönstret vi ser i ZTF-data, " förklarar Caltech-studenten Kevin Burdge, huvudförfattare till tidningen som rapporterade upptäckten, som finns i dagens nummer av tidskriften Natur .

En stark källa till gravitationsvågor

Nära kretsande vita dvärgar förutspås spiralera ihop närmare och snabbare, eftersom systemet förlorar energi genom att sända ut gravitationsvågor. J1539:s omloppsbana är så snäv att dess omloppstid förutspås bli mätbart kortare efter bara några år. Burdges team kunde bekräfta förutsägelsen från allmän relativitet om en krympande bana, genom att jämföra deras nya resultat med arkivdata som förvärvats under de senaste tio åren.

J1539 är en sällsynt pärla. Det är en av endast ett fåtal kända källor till gravitationsvågor – krusningar i rum och tid – som kommer att upptäckas av det framtida europeiska rymduppdraget LISA (Laser Interferometer Space Antenna), som förväntas lanseras 2034. LISA, där NASA spelar en roll, kommer att likna National Science Foundations markbaserade LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), som skrev historia 2015 genom att göra den första direkta upptäckten av gravitationsvågor från ett par kolliderande svarta hål. LISA kommer att upptäcka gravitationsvågor från rymden vid lägre frekvenser. J1539 är väl anpassad till LISA; 4,8 mHz gravitationsvågfrekvensen för J1539 är nära toppen av LISA:s känslighet.

Upptäckten fortsätter för Historic Telescope

Kitt Peaks 2,1-meters teleskop, det andra stora teleskopet som ska byggas på platsen, har varit i kontinuerlig drift sedan 1964. Dess historia inkluderar många viktiga upptäckter inom astrofysik, såsom Lyman-alfaskogen i kvasarspektra, den första gravitationslinsen av en galax, den första pulserande vita dvärgen, och den första omfattande studien av den binära frekvensen av stjärnor som solen. Det senaste resultatet fortsätter sin ärevördiga meritlista.

Lori Allen, Direktör för Kitt Peak National Observatory och tillförordnad direktör för NOAO säger, "Vi är glada över att se att vårt 2,1-meters teleskop, nu mer än 50 år gammal, förblir en kraftfull plattform för upptäckt."

"Dessa underbara observationer är ytterligare ett bevis på att banbrytande vetenskap kan göras på blygsamma teleskop som 2,1-meters i modern tid, " tillägger Chris Davis, NSF programansvarig för NOAO.

Mer spänning framöver!

Hur anmärkningsvärt det än är, J1539 upptäcktes med endast en liten del av data som förväntades från ZTF. Det hittades i ZTF-teamets första analys av 10 miljoner källor, medan projektet så småningom kommer att studera mer än en miljard stjärnor.

"Bara månader efter att ha kommit online, ZTF-astronomer har upptäckt vita dvärgar som kretsar runt varandra i rekordfart, " säger NSFs biträdande direktör för matematiska och fysikaliska vetenskaper, Anne Kinney. "Det är en upptäckt som avsevärt kommer att förbättra vår förståelse av dessa system, och det är en smak av överraskningar som kommer."