Astronomen beobachten, wie sich Licht um einen isolierten Weißen Zwerg krümmt

Astronomen haben die Masse eines toten Sterns direkt gemessen, indem sie einen als Gravitations-Mikrolinseneffekt bekannten Effekt verwendeten, der zuerst von Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt und vor 100 Jahren erstmals von zwei Astronomen aus Cambridge beobachtet wurde.

Das internationale Team unter der Leitung der University of Cambridge verwendete Daten von zwei Teleskopen, um zu messen, wie sich das Licht eines fernen Sterns um einen Weißen Zwerg namens LAWD 37 beugte und eine vorübergehende Änderung der scheinbaren Position des fernen Sterns am Himmel verursachte.

Dies ist das erste Mal, dass dieser Effekt für einen einzelnen isolierten Stern außer unserer Sonne nachgewiesen wurde, und das erste Mal, dass die Masse eines solchen Sterns direkt gemessen wurde. Die Ergebnisse werden in der berichtet Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

LAWD 37 ist ein Weißer Zwerg, das Ergebnis des Todes eines Sterns wie dem unseren. Wenn ein Stern stirbt, hört er auf, seinen Brennstoff zu verbrennen und stößt seine äußere Materie aus, wobei nur ein heißer, dichter Kern zurückbleibt. Unter diesen Bedingungen verhält sich Materie, wie wir sie kennen, ganz anders und wird durch Elektronen in etwas umgewandelt, das als entartete Materie bezeichnet wird.

„Weiße Zwerge geben uns Hinweise auf die Entwicklung von Sternen – eines Tages wird unser eigener Stern schließlich zu einem Weißen Zwerg“, sagte Erstautor Dr. Peter McGill, der die Forschung während seiner Promotion leitete. am Cambridge Institute of Astronomy. McGill arbeitet jetzt an der University of California, Santa Cruz.

LAWD 37 wurde umfassend untersucht, da es uns relativ nahe steht. Dieser Weiße Zwerg liegt 15 Lichtjahre entfernt im Sternbild Musca und ist der Überrest eines Sterns, der vor etwa 1,15 Milliarden Jahren starb.

„Weil dieser Weiße Zwerg uns relativ nahe ist, haben wir viele Daten über ihn – wir haben Informationen über sein Lichtspektrum, aber das fehlende Puzzleteil war eine Messung seiner Masse“, sagte McGill. .

Die Masse ist einer der wichtigsten Faktoren in der Entwicklung eines Sterns. Für die Mehrheit Sternobjekteleiten Astronomen die Masse indirekt ab, indem sie sich auf starke und oft ungeprüfte Modellannahmen stützen. In seltenen Fällen, in denen die Masse direkt abgeleitet werden kann, muss das Objekt einen Begleiter haben, z. B. ein Doppelsternsystem. Aber für einzigartige Objekte, wie LAWD 37, werden andere Massenbestimmungsmethoden benötigt.

McGill und sein internationales Team von Kollegen konnten ein Paar Teleskope – das Gaia-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation und das Hubble-Weltraumteleskop – verwenden, um die erste genaue Massenmessung von LAWD 37 zu erhalten, indem sie einen zuerst astrometrischen Effekt vorhersagten und dann beobachteten von Einstein.

In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie sagte Einstein voraus, dass, wenn ein massives, kompaktes Objekt vor einem vorbeizieht entfernter SternSternenlicht würde sich aufgrund dessen um das Vordergrundobjekt biegen Schwerkraftfeld. Dieser Effekt ist bekannt als Gravitationsmikrolinse. 1919 haben zwei britische Astronomen – Arthur Eddington aus Cambridge und Frank Dyson vom Royal Observatory in Greenwich –entdeckten diesen Effekt erstmals während einer Sonnenfinsternis, was die erste populäre Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie war. Einstein war jedoch pessimistisch, dass der Effekt jemals für Sterne außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt werden würde.

2017, Astronomen erkannt dieser Gravitations-Mikrolinseneffekt für einen anderen nahegelegenen Weißen Zwerg in einem Doppelsternsystem, Stein 2051 b, der die erste Entdeckung dieses Effekts für einen anderen Stern als unsere Sonne markierte. Jetzt hat das von Cambridge geführte Team den Effekt für LAWD 37 entdeckt und damit die erste direkte Massenmessung für einen einzelnen Weißen Zwerg durchgeführt.

Mithilfe des Gaia-Satelliten der ESA, der die genaueste und umfassendste mehrdimensionale Karte der Milchstraße erstellt, konnten Astronomen die Bewegung von LAWD 37 vorhersagen und den Punkt identifizieren, an dem sie sich nahe genug an einem Hintergrundstern ausrichten würde, um das Linsensignal zu erkennen .

Anhand von Daten von Gaia konnten Astronomen das Hubble-Weltraumteleskop zur richtigen Zeit auf den richtigen Ort richten, um dieses Phänomen zu beobachten, das im November 2019, 100 Jahre nach dem berühmten Eddington/Dyson-Experiment, auftrat.

Da das Licht des Hintergrundsterns so schwach war, bestand die größte Herausforderung für Astronomen darin, das Linsensignal aus dem Rauschen zu extrahieren. “Diese Ereignisse sind selten und die Auswirkungen sind minimal”, sagte McGill. „Zum Beispiel ist die Größe unseres gemessenen Effekts so, als würde man die Länge eines Autos auf dem Mond von der Erde aus sehen, und ist 625-mal kleiner als der Effekt, der 1919 gemessen wurde Sonnenfinsternis.”

Nachdem sie das Lensing-Signal extrahiert hatten, konnten die Forscher die Größe der astrometrischen Abweichung der Hintergrundquelle messen, die mit der Masse des Weißen Zwergs skaliert, und eine Gravitationsmasse für LAWD 37 erhalten, die 56 % der Masse entspricht unserer Sonne. Dies stimmt mit früheren theoretischen Vorhersagen über die Masse von LAWD 37 überein und unterstützt aktuelle Theorien zur Evolution des Weißen Zwergs.

„Die Massenmessgenauigkeit des LAWD 37 ermöglicht es uns, die Masse-Radius-Beziehung für zu testen Weiße Zwerge“, sagte McGill. “Es bedeutet, die Eigenschaften von Materie unter den extremen Bedingungen innerhalb dieses toten Sterns zu testen.”

Die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse die Tür für zukünftige Vorhersagen von Ereignissen mit Gaia-Daten öffnen, die mit Weltraumobservatorien wie JWST, dem Nachfolger von Hubble, erfasst werden können.

„Gaia hat wirklich alles verändert; Es ist aufregend, Daten von Gaia verwenden zu können, um vorherzusagen, wann Ereignisse eintreten, und sie dann zu beobachten“, sagte McGill. „Wir wollen den Gravitations-Mikrolinseneffekt weiter messen und Massenmessungen für viele andere Arten von Sternen erhalten.“