Ultracoole Zwergdoppelsterne brechen Rekorde

Astrophysiker der Northwestern University und der University of California San Diego (UC San Diego) haben mithilfe des WM Keck Observatoriums auf Maunakea, Hawaii Island, das dichteste ultrakühle Doppelsternsystem entdeckt, das je beobachtet wurde.

Die beiden Sterne sind so nah beieinander, dass sie weniger als einen Erdentag brauchen, um sich umeinander zu drehen; Das „Jahr“ jedes Sterns dauert nur 17 Stunden.

Das neu entdeckte System mit dem Namen LP 413-53AB besteht aus einem Paar ultrakühler Zwerge, einer Klasse sehr massearmer Sterne, die so kühl sind, dass sie ihr Licht hauptsächlich im Infraroten emittieren, wodurch sie für das menschliche Auge völlig unsichtbar sind . Sie sind dennoch eine der häufigsten Arten von Sternen im Universum.

Zuvor hatten Astronomen nur drei ultrakühle Zwergdoppelsysteme mit kurzer Periode entdeckt, die alle relativ jung sind – bis zu 40 Millionen Jahre alt. LP 413-53AB ist schätzungsweise Milliarden Jahre alt – ähnlich alt wie unsere Sonne –, hat aber eine Umlaufzeit, die etwa viermal kürzer ist als alle bisher entdeckten ultrakühlen Zwergdoppelsterne.

Die Studie wurde zur Veröffentlichung angenommen in Die Briefe des astrophysikalischen Journalsund ist im Preprint-Format auf verfügbar arXiv.org.

„Es ist aufregend, ein so extremes System zu entdecken“, sagte Chih-Chun „Dino“ Hsu, ein nordwestlicher Astrophysiker, der die Studie leitete. „Im Prinzip wussten wir, dass diese Systeme existieren sollten, aber bisher wurden keine solchen Systeme identifiziert.“

Hsu ist Postdoktorandin in Physik und Astronomie am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Er begann diese Studie während eines Ph.D. Student an der UC San Diego, wo er von Professor Adam Burgasser beraten wurde.

Das Team entdeckte das seltsame Binärsystem zum ersten Mal, als es Archivdaten durchsuchte. Hsu entwickelte einen Algorithmus, der einen Stern basierend auf seinen Spektraldaten modellieren kann. Durch die Analyse des von einem Stern emittierten Lichtspektrums können Astrophysiker die chemische Zusammensetzung, Temperatur, Schwerkraft und Rotation des Sterns bestimmen. Diese Analyse zeigt auch die Bewegung des Sterns, wenn er sich auf den Beobachter zu und von ihm weg bewegt, bekannt als Radialgeschwindigkeit.

Bei der Untersuchung der Spektraldaten von LP 413-53AB bemerkte Hsu etwas Seltsames. Frühe Beobachtungen erfassten das System, als die Sterne grob ausgerichtet waren und ihre Spektrallinien sich überlappten, was Hsu zu der Annahme veranlasste, dass es sich nur um einen Stern handelte. Aber als sich die Sterne in ihrer Umlaufbahn bewegten, verschoben sich die Spektrallinien in entgegengesetzte Richtungen und teilten sich in späteren Spektraldaten in Paare auf. Hsu erkannte, dass tatsächlich zwei Sterne in einem unglaublich engen Binärsystem eingeschlossen waren.

Mit dem Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSPEC) des Keck-Observatoriums beschloss Hsu, das Phänomen selbst zu beobachten. Am 13. März 2022 richtete das Team das Keck-II-Teleskop auf das Sternbild Stier aus, in dem sich das Doppelsternsystem befindet, und beobachtete es zwei Stunden lang. Dann folgten weitere Beobachtungen im Juli, Oktober und Dezember 2022 sowie im Januar 2023.

„Als wir diese Messung durchführten, konnten wir sehen, wie sich die Dinge im Laufe von ein paar Minuten Beobachtung veränderten“, sagte Burgasser. „Die meisten Binärdateien, denen wir folgen, haben Umlaufzeiten von Jahren. Sie erhalten also alle paar Monate eine Messung. Nach einer Weile können Sie das Puzzle zusammensetzen. Mit diesem System konnten wir sehen, wie sich die Spektrallinien in Echtzeit auseinander bewegten. Es ist erstaunlich zu sehen, wie im Universum auf menschlicher Zeitskala etwas passiert.“

Die Beobachtungen bestätigten, was das Modell von Hsu vorhersagte. Der Abstand zwischen den beiden Sternen beträgt etwa 1% des Abstands zwischen Erde und Sonne.

„Das ist bemerkenswert, denn als sie jung waren, etwa 1 Million Jahre alt, hätten diese Sterne fast übereinander gestanden“, sagte Burgasser.

Das Team spekuliert, dass die Sterne während ihrer Entwicklung entweder aufeinander zu migrierten oder nach dem Ausstoß eines dritten – jetzt verlorenen – Sternmitglieds zusammengekommen sein könnten. Um diese Ideen zu testen, sind weitere Beobachtungen erforderlich.

Hsu sagte auch, dass Forscher durch das Studium ähnlicher Sternensysteme mehr über potenziell bewohnbare Planeten außerhalb der Erde erfahren könnten. Ultrakühle Zwerge sind viel schwächer und dunkler als die Sonne, daher müssten alle Welten mit flüssigem Wasser auf ihrer Oberfläche – ein entscheidender Bestandteil für die Bildung und Erhaltung von Leben – viel näher am Stern sein. Bei LP 413-53AB ist die Entfernung der bewohnbaren Zone jedoch sehr nahe an der Größe der Sternumlaufbahn, was es wahrscheinlich unmöglich macht, bewohnbare Planeten in diesem System zu bilden.

„Diese ultrakühlen Zwerge sind Nachbarn unserer Sonne“, sagte Hsu. „Um potenziell bewohnbare Wirte zu identifizieren, ist es hilfreich, mit unseren nahen Nachbarn zu beginnen. Aber wenn enge Doppelsterne unter ultrakühlen Zwergen üblich sind, gibt es möglicherweise nur wenige bewohnbare Welten.“

Um diese Szenarien vollständig zu untersuchen, hoffen Hsu, Burgasser und ihre Mitarbeiter, weitere kurzperiodische ultrakalte Zwerg-Binärsysteme zu lokalisieren, um eine vollständige Datenprobe zu erstellen. Neue Beobachtungsdaten könnten dazu beitragen, theoretische Modelle für die Entstehung und Entwicklung von Doppelsternen zu stärken. Bisher war es jedoch eine Seltenheit, ultrakühle Doppelsterne zu finden.

„Diese Systeme sind selten“, sagte Co-Autor Chris Theissen, Postdoctoral Fellow des Kanzlers an der UC San Diego. „Aber wir wissen nicht, ob sie selten sind, weil sie selten existieren oder weil wir sie einfach nicht finden. Das ist eine offene Frage. Jetzt haben wir einen Datenpunkt, auf dem wir aufbauen können. Diese Daten hatten gesessen lange Zeit im Archiv bleiben. Dino’s Tool wird es uns ermöglichen, nach mehr Binärdateien wie dieser zu suchen.“