De senaste stjärndata från Gaia rymdobservatorium har för första gången gjort det möjligt för astronomer att generera en massiv 3D-atlas av vitt åtskilda binära stjärnor inom cirka 3, 000 ljusår av jorden — 1,3 miljoner av dem.

Den unika atlasen, skapad av Kareem El-Badry, en astrofysik Ph.D. student från University of California, Berkeley, borde vara en välsignelse för dem som studerar binära stjärnor – som utgör minst hälften av alla sollika stjärnor – och vita dvärgar, exoplaneter och stjärnutveckling, i allmänhet. Före Gaia, den sista sammanställningen av närliggande binära stjärnor, sammansatt med hjälp av data från den numera nedlagda Hipparcos-satelliten, inkluderade cirka 200 troliga par.

"Detta är bara en enorm ökning av urvalsstorleken, " sade El-Badry. "Och det är en ökning av vilka typer av evolutionära faser vi hittar binärerna i. I vårt urval, vi har 17, 000 vita dvärgar bara. Det här är en mycket större folkräkning."

Vita dvärgar är slutstadiet för de flesta stjärnor; solen kommer sannolikt att sluta som en kompakt vit dvärg om 5 miljarder år. El-Badrys atlas innehåller 1, 400 system som består av två vita dvärgar och 16, 000 binärer som består av en vit dvärg och en annan typ av stjärna

Den stora majoriteten av de 2,6 miljoner enskilda stjärnorna är fortfarande i livets bästa ålder, dock. Astronomer hänvisar till dem som huvudsekvensstjärnor, eftersom de hopar sig längs en linje när de plottas på en graf som visar temperatur kontra ljusstyrka.

Med en så stor urvalsstorlek, El-Badry sa, det är möjligt att göra befolkningsdemografi för dessa stjärntvillingar, ställa frågor som:Vad är fördelningen av massförhållanden mellan de två stjärnorna i alla dessa binära system? Hur är deras separationer eller excentriciteter fördelade?

El-Badry planerar att i framtiden fokusera på de vita dvärgbinärerna, eftersom vita dvärgar kan tilldelas en ålder mer exakt än vad som är möjligt med vanliga stjärnor. Huvudsekvensstjärnor som solen kan se likadana ut för miljarder, eller till och med tiotals miljarder, år, medan vita dvärgar förändras – för en sak, de kyls ner med en väldefinierad hastighet. Och eftersom binära par föds samtidigt, den vita dvärgens ålder berättar för astronomerna åldern på dess huvudsekvenstvilling, eller av någon planet runt stjärnorna.

"För en vit dvärg, i allmänhet, det är lätt att avgöra hur gammal den är – inte bara hur gammal sedan den blev en vit dvärg, men vad är dess totala ålder, " sa han. "Du kan också mäta deras massor, eftersom vita dvärgar har ett välförstått förhållande mellan massa och radie."

Som ett exempel, El-Badry och kollegor använde nyligen Gaia-data för att uppskatta åldern på en gasjätte i Jupiterstorlek som upptäcktes av TESS-satelliten runt ett vitt dvärg-K-dvärgpar. Den där exoplaneten, TOI-1259Ab, visade sig vara cirka 4 miljarder år gammal, baserat på den vita dvärgens ålder.

"I denna katalog, det finns ungefär 15 system som detta:stjärna plus planet plus vit dvärg, " han sa, "och det finns ytterligare några hundra som är stjärna plus planet plus en annan stjärna. De är också potentiellt intressanta eftersom, i vissa fall, den andra stjärnan kommer att göra något dynamiskt med planeten."

Den nya katalogen över närliggande binära stjärnor har godkänts för publicering i tidskriften Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

El-Badry samarbetade också med Jackie Faherty, en vetenskapsman och utbildare vid American Museum of Natural History i New York City, att skapa en genomgångsvideo av alla miljoner binära stjärnor runt jorden, som representerar en stor del av hela Vintergatans galax.

Binära stjärnor

Tills Gaia lanserades av European Space Agency 2013 för att exakt mäta avstånden och rörelserna för miljontals närliggande stjärnor, det enda sättet att hitta binärer var att leta efter stjärnor nära varandra på himlen. Detta kan vara knepigt, eftersom stjärnor som ser väldigt nära från jorden kan vara hundratals till tusentals ljusår från varandra, bara sitta längs samma linje av webbplatsen.

Att utesluta en slumpmässig anpassning kräver mycket observationstid för att bekräfta att de två kandidaterna faktiskt är på samma avstånd och rör sig tillsammans. På grund av jordens rörelse runt solen, närliggande stjärnor verkar ändra position på himlen, och att parallax kan användas för att beräkna hur långt bort de är. Stjärnans rörelse över himlen, känd som proper motion, hjälper till att bestämma dess hastighet.

Gaia utför denna tråkiga astrometri kontinuerligt för alla närliggande stjärnor på himlen, 24/7, från sin bana vid jord-sol Lagrange-punkten. Rymdteleskopets undersökning är mest användbar för stjärnor inom cirka 3, 000 ljusår av jorden, dock, för utöver det, parallaxen är vanligtvis för liten för att mätas.

El-Badry letade först efter binära stjärnor i Gaia-data efter uppdragets andra release av stjärnmätningar 2018, med hjälp av kollegor Hans-Walter Rix, chef för Max-Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland, och Tyler Heintz, en doktorand vid Boston University. De utvecklade beräkningstekniker för att identifiera stjärnor som rör sig tillsammans genom rymden och på samma avstånd från jorden. Tekniken projicerar i princip varje stjärnas rörelse över tusentals år, baserat på dess egentliga rörelse idag, och drar ut stjärnor som rör sig i samma riktning. Om de också visar sig vara på samma avstånd baserat på parallax, de är förmodligen bundna till varandra, han sa.

Han och hans kollegor fokuserar främst på bredbinära filer – de som är åtskilda med ett avstånd på 10 AU (astronomiska enheter) eller mer – det vill säga, 10 eller fler gånger avståndet mellan jorden och solen (93 miljoner miles). Stjärnor närmare än så visas vanligtvis som en ljuspunkt och kräver andra spektroskopiska tekniker för att urskilja om de är sanna binärer.

För att få första känslan av Gaias senaste data, El-Badry uppstod vid 03:00 på släppdatumet, 3 december förra året, och gick med omkring 100 andra astronomer från hela världen på Zoom. Han körde snabbt förprogrammerade frågor på data för att extrahera den kataloginformation han behövde för att skapa 3D-kartan.

De första frågorna returnerade cirka 1,8 miljoner binära kandidater från Gaias katalog med 1,8 miljarder stjärnor, så El-Badry var först tvungen att bedöma sannolikheten för att några av paren var på samma avstånd och rörde sig i liknande riktningar av en slump, inte för att de är ihopparade. Han uppskattar att nästan 1,3 miljoner par hade minst 90 % chans att bli bundna, och 1,1 miljoner hade en chans på 99%.

"Omkring hälften av alla solliknande stjärnor är binärer, många av dem för nära för att kunna skiljas åt, men vi finner att 25 % av alla solliknande stjärnor har en binär följeslagare vid separationer på mer än 30 AU, om avståndet till Pluto, ", sa han. "Fördelningen toppar vid en separation på 30 eller 50 AU."

Vissa par är åtskilda med så mycket som en parsec—260, 000 AU, eller 3,26 ljusår – även om de flesta är inom 1, 000 AU av varandra.

En takeaway, han sa, är att den nya analysen bekräftar något som antyds i 2018 års data:Många binära stjärnpar är väldigt lika i massa.

"En sak som vi redan hittat är cool - vi upptäckte det här med Gaia DR2, men nu kan vi studera det bättre med detta prov – är att binärer gillar att vara enäggstvillingar, " sa han. "Det är verkligen konstigt, eftersom de flesta av dessa är åtskilda av hundratals eller tusentals AU, så de är så långt ifrån varandra att genom konventionella stjärnbildningsteorier, deras massor bör vara slumpmässiga. Men uppgifterna berättar en annan historia:De vet något om sina följeslagares massor."

Innebörden, han sa, är att de bildades mycket närmare varandra i en process som tenderade att utjämna deras massor och sedan migrerade isär, kanske på grund av interaktioner med andra närliggande stjärnor.

Sammanställningen av binära stjärnor gjorde det också möjligt för El-Badry att kontrollera de rapporterade osäkerheterna i Gaias mätningar av stjärnpositioner, som kan hjälpa andra forskare som använder uppgifterna.