Astronomer har upptäckt den minsta och mest massiva vita dvärgen som någonsin setts. Den rykande asken, som bildades när två mindre massiva vita dvärgar slogs samman, är tung, "packa en massa större än vår sol i en kropp ungefär lika stor som vår måne, " säger Ilaria Caiazzo, Sherman Fairchild Postdoctoral Scholar Research Associate in Theoretical Astrophysics vid Caltech och huvudförfattare till den nya studien som visas i 1 juli-numret av tidskriften Natur . "Det kan verka kontraintuitivt, men mindre vita dvärgar råkar vara mer massiva. Detta beror på det faktum att vita dvärgar saknar kärnförbränning som håller upp normala stjärnor mot sin egen gravitation, och deras storlek regleras istället av kvantmekanik."

Upptäckten gjordes av Zwicky Transient Facility, eller ZTF, som verkar vid Caltechs Palomar Observatory; två Hawaii-teleskop - W. M. Keck Observatory på Maunakea, Hawai'i Island och University of Hawai'i Institute for Astronomy's Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) på Haleakala, Maui - hjälpte till att karakterisera den döda stjärnan, tillsammans med 200-tums Hale-teleskopet på Palomar, det europeiska Gaia-rymdobservatoriet, och NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory.

Vita dvärgar är de kollapsade resterna av stjärnor som en gång var ungefär åtta gånger vår sols massa eller lättare. Vår sol, till exempel, efter att det först blåser upp till en röd jätte på cirka 5 miljarder år, kommer i slutändan att smälta av sina yttre lager och krympa ner till en kompakt vit dvärg. Cirka 97 procent av alla stjärnor blir vita dvärgar.

Medan vår sol är ensam i rymden utan en stjärnpartner, många stjärnor kretsar runt varandra i par. Stjärnorna blir gamla tillsammans, och om de båda är mindre än åtta solmassor, de kommer båda att utvecklas till vita dvärgar.

Den nya upptäckten ger ett exempel på vad som kan hända efter denna fas. Paret vita dvärgar, som rör sig runt varandra, förlora energi i form av gravitationsvågor och slutligen smälta samman. Om de döda stjärnorna är tillräckligt stora, de exploderar i vad som kallas en supernova av typ Ia. Men om de ligger under en viss massatröskel, de kombineras till en ny vit dvärg som är tyngre än någon av stamstjärnorna. Denna process av sammanslagning ökar magnetfältet hos den stjärnan och påskyndar dess rotation jämfört med förfädernas.

Astronomer säger att den nyfunna lilla vita dvärgen, heter ZTF J1901+1458, tog den senare evolutionens väg; dess förfäder slogs samman och producerade en vit dvärg som var 1,35 gånger vår sols massa. Den vita dvärgen har ett extremt magnetfält som är nästan 1 miljard gånger starkare än vår sols och piskar runt på sin axel i en rasande hastighet av ett varv var sjunde minut (den häftigaste vita dvärgen som är känd, kallas EPIC 228939929, roterar var 5,3:e minut).

"Vi fångade detta mycket intressanta föremål som inte var tillräckligt massivt för att explodera, " säger Caiazzo. "Vi undersöker verkligen hur massiv en vit dvärg kan vara."

Vad mer, Caiazzo och hennes medarbetare tror att den sammanslagna vita dvärgen kan vara tillräckligt massiv för att utvecklas till en neutronrik död stjärna, eller neutronstjärna, som vanligtvis bildas när en stjärna som är mycket mer massiv än vår sol exploderar i en supernova.

"Detta är mycket spekulativt, men det är möjligt att den vita dvärgen är tillräckligt massiv för att ytterligare kollapsa till en neutronstjärna, " säger Caiazzo. "Det är så massivt och tätt att i dess kärna, elektroner fångas av protoner i kärnor för att bilda neutroner. Eftersom trycket från elektroner trycker mot tyngdkraften, hålla stjärnan intakt, kärnan kollapsar när ett tillräckligt stort antal elektroner tas bort."

Om denna hypotes om bildning av neutronstjärnor är korrekt, det kan betyda att en betydande del av andra neutronstjärnor tar form på detta sätt. Det nyfunna objektets närhet (cirka 130 ljusår bort) och dess unga ålder (cirka 100 miljoner år gamla eller mindre) tyder på att liknande objekt kan förekomma vanligare i vår galax.

Magnetisk och snabb

Den vita dvärgen sågs först av Caiazzos kollega Kevin Burdge, en postdoktor vid Caltech, efter att ha letat igenom all-sky-bilder tagna av ZTF. Denna speciella vita dvärg, när de analyseras i kombination med data från Gaia, stod ut för att vara mycket massiv och ha en snabb rotation.

"Ingen har systematiskt kunnat utforska astronomiska fenomen på kort tid i den här typen av skala förrän nu. Resultaten av dessa ansträngningar är fantastiska, säger Burdge, WHO, under 2019, ledde teamet som upptäckte ett par vita dvärgar som snurrade runt varandra var sjunde minut.

Teamet analyserade sedan stjärnans spektrum med hjälp av Keck Observatorys Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS), och det var då Caiazzo slogs av signaturerna av ett mycket kraftfullt magnetfält och insåg att hon och hennes team hade hittat något "väldigt speciellt, " som hon säger. Magnetfältets styrka tillsammans med föremålets sju minuters rotationshastighet indikerade att det var resultatet av två mindre vita dvärgar som smälte samman till en.

Data från Swift, som observerar ultraviolett ljus, hjälpte till att spika fast storleken och massan på den vita dvärgen. Med en diameter på 2, 670 mil, ZTF J1901+1458 säkrar titeln för den minsta kända vita dvärgen, kantar ut tidigare rekordhållare, RE J0317-853 och WD 1832+089, som var och en har en diameter på cirka 3, 100 mil.

I framtiden, Caiazzo hoppas kunna använda ZTF för att hitta fler vita dvärgar som denna, och, i allmänhet, att studera befolkningen som helhet. "Det finns så många frågor att ta upp, till exempel hur stor är hastigheten för sammanslagningar av vita dvärgar i galaxen, och räcker det för att förklara antalet supernovor av typ Ia? Hur genereras ett magnetfält i dessa kraftfulla händelser, och varför finns det en sådan mångfald i magnetfältstyrkor bland vita dvärgar? Att hitta en stor population av vita dvärgar födda från sammanslagningar kommer att hjälpa oss att svara på alla dessa frågor och mer."