Döda stjärnor, kända som vita dvärgar, har en massa som solen samtidigt som de är lika stora som jorden. De är vanliga i vår galax, eftersom 97 % av stjärnorna så småningom kommer att bli vita dvärgar. När stjärnor når slutet av sitt liv kollapsar deras kärnor till den täta bollen av en vit dvärg, vilket gör att vår galax ser ut som en eterisk kyrkogård.
Trots deras förekomst har den kemiska sammansättningen av dessa stjärnrester varit en gåta för astronomer i flera år. Närvaron av tungmetallelement – som kisel, magnesium och kalcium – på ytan av många av dessa kompakta föremål är en förvirrande upptäckt som trotsar våra förväntningar på stjärnbeteende.
"Vi vet att om dessa tungmetaller finns på ytan av den vita dvärgen, är den vita dvärgen tät nog att dessa tungmetaller mycket snabbt bör sjunka mot kärnan", förklarar JILA-studenten Tatsuya Akiba. "Så du bör inte se några metaller på ytan av en vit dvärg om inte den vita dvärgen aktivt äter något."
Medan vita dvärgar kan konsumera olika närliggande föremål, såsom kometer eller asteroider (kända som planetesimals), har svårigheterna med denna process ännu inte utforskats fullt ut. Detta beteende kan dock vara nyckeln till att reda ut mysteriet med en vit dvärgs metallkomposition, vilket potentiellt kan leda till spännande avslöjanden om vita dvärgens dynamik.
I resultat som rapporterats i en ny artikel i The Astrophysical Journal Letters, Akiba, tillsammans med JILA Fellow och University of Colorado Boulder Astrophysical and Planetary Sciences professor Ann-Marie Madigan och student Selah McIntyre, tror att de har hittat en anledning till varför dessa stellar zombies äter sina närliggande planetesimals. Med hjälp av datorsimuleringar simulerade forskarna den vita dvärgen som fick en "natal kick" under dess bildande (vilket har observerats) orsakat av asymmetrisk massförlust, vilket förändrade dess rörelse och dynamiken i allt omgivande material.
I 80 % av sina testkörningar observerade forskarna att kometernas och asteroidernas banor inom ett intervall på 30 till 240 AU från den vita dvärgen (motsvarande avståndet mellan solen och Neptunus och längre) blev långsträckta och inriktade från kicken. . Dessutom kommer omkring 40 % av de sedan ätna planetesimalerna från motroterande (retrograda) banor.
Forskarna utökade också sina simuleringar för att undersöka den vita dvärgens dynamik efter 100 miljoner år. De fann att den vita dvärgens närliggande planetesimaler fortfarande hade långsträckta banor och rörde sig som en sammanhängande enhet, ett resultat som aldrig tidigare setts.
"Det här är något som jag tror är unikt med vår teori:vi kan förklara varför tillväxthändelserna är så långvariga", säger Madigan. "Medan andra mekanismer kan förklara en ursprunglig ackretionshändelse, visar våra simuleringar med kicken varför det fortfarande händer hundratals miljoner år senare."
Dessa resultat förklarar varför tungmetallerna finns på ytan av en vit dvärg, eftersom den vita dvärgen kontinuerligt förbrukar mindre föremål i sin väg.
Eftersom Madigans forskargrupp vid JILA fokuserar på gravitationsdynamik, verkade det som ett naturligt studiefokus att titta på gravitationen kring vita dvärgar.
"Simuleringar hjälper oss att förstå dynamiken hos olika astrofysiska objekt", säger Akiba. "Så, i den här simuleringen kastar vi ett gäng asteroider och kometer runt den vita dvärgen, som är betydligt större, och ser hur simuleringen utvecklas och vilka av dessa asteroider och kometer den vita dvärgen äter."
Forskarna hoppas kunna ta sina simuleringar till större skala i framtida projekt och titta på hur vita dvärgar interagerar med större planeter.
Som Akiba utvecklar, "Andra studier har föreslagit att asteroider och kometer, de små kropparna, kanske inte är den enda källan till metallföroreningar på den vita dvärgens yta. Så de vita dvärgarna kan äta något större, som en planet."
Dessa nya rön avslöjar ytterligare mer om bildandet av vita dvärgar, vilket är viktigt för att förstå hur solsystem förändras under miljontals år. De hjälper också till att kasta ljus över vårt solsystems ursprung och framtida utveckling och avslöjar mer om kemin inblandade.
"De allra flesta planeter i universum kommer att hamna i bana runt en vit dvärg," säger Madigan. "Det kan vara så att 50 % av dessa system blir uppätna av sin stjärna, inklusive vårt eget solsystem. Nu har vi en mekanism för att förklara varför detta skulle hända."
"Planetesimaler kan ge oss insikt i andra solsystem och planetariska sammansättningar bortom där vi bor i vår solregion", tillägger McIntyre. "Vita dvärgar är inte bara en lins in i det förflutna. De är också en slags lins in i framtiden."
Rättningsanteckning (5/5/2024):I originaltexten, meningen "De är vanliga i vår galax, eftersom 97 % av stjärnorna är vita dvärgar." är inkorrekt. Det korrekta uttalandet bör vara:"De är vanliga i vår galax, eftersom 97 % av stjärnorna så småningom kommer att bli vita dvärgar."
Mer information: Tatsuya Akiba et al, Tidal Disruption of Planetesimals from an Excentric Debris Disk Following a White Dwarf Natal Kick, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad394c
Journalinformation: Astrophysical Journal Letters
Tillhandahålls av JILA
