Utilizzando il telescopio SOAR da 4,1 metri in Cile, gli astronomi hanno scoperto il primo esempio di un sistema binario in cui una stella in procinto di diventare una nana bianca orbita attorno a una stella di neutroni che ha appena finito di trasformarsi in una pulsar in rapida rotazione. La coppia, originariamente rilevata dal Fermi Gamma-ray Space Telescope, è un "anello mancante" nell'evoluzione di tali sistemi binari.
Una sorgente luminosa e misteriosa di raggi gamma è stato scoperto essere una stella di neutroni in rapida rotazione, soprannominata una pulsar millisecondo, che orbita attorno a una stella in procinto di evolversi in una nana bianca di massa estremamente bassa. Questi tipi di sistemi binari sono indicati dagli astronomi come "ragni" perché la pulsar tende a "mangiare" le parti esterne della stella compagna mentre si trasforma in una nana bianca.
Il duo è stato rilevato dagli astronomi utilizzando il telescopio SOAR da 4,1 metri sul Cerro Pachón in Cile, parte del Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), un programma del NOIRLab di NSF. Il Fermi Gamma-ray Space Telescope della NASA ha catalogato oggetti nell'Universo che producono copiosi raggi gamma sin dal suo lancio nel 2008, ma non tutte le fonti di raggi gamma che rileva sono state classificate. Una di queste sorgenti, chiamata dagli astronomi 4FGL J1120.0-2204, era la seconda sorgente di raggi gamma più luminosa dell'intero cielo, che non era stata identificata fino ad ora.
Gli astronomi degli Stati Uniti e del Canada, guidati da Samuel Swihart del US Naval Research Laboratory di Washington D.C., hanno utilizzato lo spettrografo Goodman sul telescopio SOAR per determinare la vera identità di 4FGL J1120.0-2204. La sorgente di raggi gamma, che emette anche raggi X, come osservato dai telescopi spaziali Swift della NASA e XMM-Newton dell'ESA, ha dimostrato di essere un sistema binario costituito da una pulsar millisecondo che ruota centinaia di volte al secondo e il precursore di una nana bianca di massa estremamente bassa. La coppia si trova a oltre 2600 anni luce di distanza.
"Il tempo dedicato della Michigan State University al telescopio SOAR, la sua posizione nell'emisfero australe e la precisione e la stabilità dello spettrografo Goodman, sono stati tutti aspetti importanti di questa scoperta", ha affermato Swihart.
Chris Davis, direttore del programma NOIRLab presso la US National Science Foundation prevede "che SOAR svolgerà un ruolo cruciale nel follow-up di molte altre fonti variabili nel tempo e multi-messaggero nel prossimo decennio". Lo spettro ottico del sistema binario misurato dallo spettrografo di Goodman ha mostrato che la luce della compagna della nana proto-bianca indica che orbita attorno a una stella di neutroni compatta e massiccia ogni 15 ore.
"Gli spettri ci hanno anche permesso di limitare la temperatura approssimativa e la gravità superficiale della stella compagna", ha spiegato Swihart, il cui team è stato in grado di prendere queste proprietà e applicarle a modelli che descrivono come si evolvono i sistemi stellari binari. Ciò ha permesso loro di determinare che la compagna è il precursore di una nana bianca di massa estremamente bassa, con una temperatura superficiale di 8200 ° C e una massa di appena il 17% di quella del Sole.
Quando una stella con una massa simile o minore a quella del Sole raggiunge la fine della sua vita, finirà l'idrogeno utilizzato per alimentare i processi di fusione nucleare nel suo nucleo. Per un certo periodo, l'elio prenderà il sopravvento e alimenterà la stella, facendola contrarre e riscaldare, e spingendo la sua espansione ed evoluzione in una gigante rossa che avrà centinaia di milioni di chilometri di dimensioni. Alla fine, gli strati esterni di questa stella gonfia potranno essere accresciuti da una compagna binaria e la fusione nucleare si fermerà, lasciando dietro di sé una nana bianca delle dimensioni della Terra e ardendo a temperature superiori a 100.000 ° C.
La nano proto-bianca nel sistema 4FGL J1120.0-2204 non ha ancora finito di evolversi. "Attualmente è gonfia ed ha un raggio circa cinque volte più grande rispetto alle normali nane bianche con masse simili", ha affermato Swihart. "Continuerà a raffreddarsi e contrarsi e, tra circa due miliardi di anni, sembrerà identico a molte delle nane bianche di massa estremamente bassa che già conosciamo".
Le pulsar ruotano centinaia di volte al secondo. La maggior parte di queste pulsar emette raggi gamma e raggi X, spesso quando il vento pulsar, che è un flusso di particelle cariche emanate dalla stella di neutroni rotante, si scontra con il materiale emesso da una stella compagna. Sono note circa 80 nane bianche di massa estremamente bassa, ma "questo è il primo precursore di una nana bianca trovata, di massa estremamente bassa, che probabilmente orbita attorno a una stella di neutroni", ha spiegato Swihart. Di conseguenza, 4FGL J1120.0-2204 è uno sguardo unico sulla fine di questo processo di spin-up. Tutte le altre binarie nane bianche-pulsar che sono state scoperte sono ben oltre lo stadio di rotazione.