Astronomi su izmjerili dosad najmanju ukupnu masu sustava dviju neutronskih zvijezda. Dvije zvijezde u sustavu PSR J1856–0039 zajedno imaju masu približno dva i pol puta veću od Sunčeve, a jedan obilazak zajedničkog središta mase traje samo 2,36 sati. Prema izračunima, zvijezde će se spojiti za približno 82 milijuna godina.
Jedna od njih ujedno je među najmanje masivnim poznatim neutronskim zvijezdama. Mala ukupna masa para utječe i na mogući ishod spajanja: nakon sudara mogla bi nastati stabilna neutronska zvijezda koja se neće odmah urušiti u crnu rupu.
Mjerenja kineskim radioteleskopom FAST omogućila su istraživačima da odrede mase i provjere kako se putanja mijenja pod utjecajem gravitacije. Rad Zonglina Yanga i suradnika, objavljen u časopisu Physical Review Letters, pokazuje da je izmjereno smanjivanje orbite u skladu s Einsteinovom općom teorijom relativnosti.
Radijski impulsi otkrivaju kretanje para
PSR J1856–0039 prvi je put opažen FAST-om u svibnju 2020. godine. Jedna od dviju zvijezda je pulsar: brzo se vrti i emitira snopove zračenja koje sa Zemlje registriramo kao niz pravilnih impulsa. U ovom slučaju jedan okret traje 23,4 milisekunde.
Neutronske zvijezde iznimno su gusti zvjezdani ostaci. Masa usporediva sa Sunčevom stisnuta je u tijelo promjera tek nekoliko desetaka kilometara. Nastaju urušavanjem jezgre masivne zvijezde nakon što ona potroši nuklearno gorivo.
Dok se pulsar i zvijezda pratilja gibaju oko zajedničkog središta mase, mijenjaju se vremena dolaska njegovih impulsa do radioteleskopa. Preciznim praćenjem tih promjena astronomi mogu rekonstruirati putanju, a zatim izdvojiti i mnogo slabije učinke relativnosti. Tako mogu odrediti mase obiju zvijezda iako ih na snimkama ne mogu razlučiti.
FAST ima reflektor promjera 500 metara i nalazi se u kineskoj pokrajini Guizhou. U 17 opservacija između 2020. i 2025. godine istraživači su prikupili 253 mjerenja vremena dolaska impulsa. Višegodišnji niz podataka bio je ključan za određivanje malih promjena u kretanju sustava.
Kako su određene mase obiju zvijezda?
U mjerenjima su istraživači prepoznali tri učinka opće relativnosti. Prvi je pomicanje točke u orbiti u kojoj su zvijezde najbliže jedna drugoj. Eliptična orbita pritom se postupno zakreće u prostoru.
Drugi je Einsteinovo kašnjenje, povezano s promjenama brzine pulsara i gravitacijskog potencijala tijekom njegova obilaska. Treći je skraćivanje orbitalnog perioda: vrijeme potrebno za jedan obilazak postupno se skraćuje jer zvijezde gube energiju emitiranjem gravitacijskih valova.
Iz tih su mjerenja, uz pretpostavku da vrijedi opća relativnost, odredili ukupnu masu od 2,48841 Sunčeve mase. Pulsar ima približno 1,304 Sunčeve mase, a njegova pratilja oko 1,185. Za mase pojedinačnih zvijezda nesigurnost iznosi približno 0,022 Sunčeve mase.
Manja zvijezda zato pripada skupini najmanje masivnih poznatih neutronskih zvijezda, dok je zbroj njihovih masa najmanji među dosad poznatim parovima te vrste. Orbitalno razdoblje tog para drugo je najkraće među potvrđenim sustavima dviju neutronskih zvijezda.
Niske mase važan su podatak za modele nastanka zvjezdanih ostataka. U drugim se istraživanjima razmatra i nastanak neutronske zvijezde urušavanjem bijelog patuljka, ali sama mala masa nije dovoljan dokaz da je neka zvijezda nastala upravo tim putem.
Smanjivanje orbite odgovara Einsteinovoj teoriji
Istraživači su usporedili izmjereno skraćivanje orbitalnog perioda s predviđanjem opće relativnosti. Omjer opaženog i predviđenog skraćivanja orbitalnog perioda iznosi 1,009, uz nesigurnost od približno 0,014. Unutar mjerne nesigurnosti rezultat se podudara s Einsteinovim predviđanjem.
Gravitacijski valovi postupno će približavati zvijezde sve do spajanja. Iz sadašnje putanje i brzine njezina smanjivanja astronomi su izračunali da do spajanja preostaje približno 82 milijuna godina.
Zbog male ukupne mase ishod spajanja mogao bi biti drukčiji nego kod masivnijih parova. Moguće je da ostane stabilna neutronska zvijezda, ali i da se novi objekt poslije uruši u crnu rupu kada mu se rotacija uspori. Ishod ovisi o tome kako se ponaša materija pri gustoćama koje u laboratorijima nije moguće izravno proučavati.
Dugotrajno praćenje moglo bi otkriti i Lense–Thirringovu precesiju, promjenu putanje povezanu s utjecajem rotacije pulsara na prostor-vrijeme u njegovoj okolini. To bi omogućilo precizniju procjenu načina na koji je masa raspoređena unutar zvijezde. Mjerenje raspodjele mase pomoglo bi provjeriti različite modele ponašanja materije u unutrašnjosti neutronskih zvijezda.
