دو ستارهٔ مرده روی کشیده‌ترین مداری که تاکنون دیده شده

جفت‌های ستارهٔ نوترونی — هسته‌های فروریخته‌ای که از ستارگان پرجرم به جا می‌مانند — به دور هم می‌چرخند و به‌آرامی انرژی خود را به‌صورت امواج گرانشی از دست می‌دهند. نخستین مورد در سال 1974 یافت شد (PSR B1913+16) و امروز بیش از 30 مورد شناخته شده است. برخی سرانجام ادغام می‌شوند و رویدادهایی چون GW170817 و GW190425 را پدید می‌آورند که LIGO آشکارشان کرد. اینکه چند جفت از این دست در کهکشان راه شیری دوام می‌آورند و روی چه مدارهایی، پرسش‌هایی بنیادی برای اخترشناسی امواج گرانشی و برای داستان تحول ستارگان دوتایی است.

مداری رکوردشکن

PSR J0653+0443 یک تپ‌اختر (pulsar) است — ستارهٔ نوترونی‌ای که پرتو رادیویی‌اش مانند فانوس دریایی از روی زمین می‌گذرد — که هر 47.5 میلی‌ثانیه یک بار می‌چرخد. این تپ‌اختر نخستین بار در 20 نوامبر 2022 با رادیوتلسکوپ کروی پانصدمتری چین (FAST) آشکار شد و در فاصلهٔ حدود 1 کیلوپارسکی (نزدیک به 3,000 سال نوری)، در بازوی برساووش (Perseus) کهکشان، قرار دارد.

Z. L. Yang، J. L. Han و همکارانشان در رصدخانه‌های ملی نجوم چین و دانشگاه‌های همکار، با زمان‌سنجی تپ‌های آن در طول بیش از دو سال، دریافتند که این تپ‌اختر به دور ستارهٔ نوترونی دیگری می‌چرخد. جرم‌ها: 1.38 برابر جرم خورشید برای تپ‌اختر و 1.44 برای همدمش.

مدار خارق‌العاده است:

• دورهٔ تناوب 79.084 روز، طولانی‌ترین در میان همهٔ ستارگان نوترونی دوتایی شناخته‌شده؛
• خروج از مرکز — 0 برای دایره و نزدیک به 1 برای مداری که تقریباً تا حد یک منحنی باز کشیده شده است — برابر 0.99238692 — بالاترین مقداری که تاکنون برای هر جفت ستاره اندازه‌گیری شده است؛ رکورد پیشین، برای یک ستارهٔ دوتایی معمولی، 0.985 بود؛
• تنها 46 دقیقه برای رفتن از یک سوی همدم به سوی دیگر، در حالی که بیشتر 79 روز در فاصله‌ای دور سپری می‌شود؛
• در نزدیک‌ترین نقطه، فاصله‌ای برابر 0.83 شعاع خورشید، یعنی حدود 580,000 کیلومتر — کمتر از شعاع خودِ خورشید — و سرعت نسبی 1,140 کیلومتر بر ثانیه، بیشترین سرعت در میان همهٔ ستارگان نوترونی دوتایی شناخته‌شده.

FAST یک بشقاب ثابت است: تنها نواری از آسمان بالای سرش را می‌بیند، و نزدیک‌ترین نقطه همیشه درون آن نمی‌افتد. میان 2025 و 2028 تنها دو گذر در میدان دید آن قرار می‌گیرند: 19 فوریهٔ 2025 و 21 آوریل 2027. گروه پژوهشی نخستین گذر را دو ساعت دنبال کرد، با یک اندازه‌گیری در هر دقیقه.

یک گرفت و یک بیضی لرزان

در طول آن گذر، سیگنال رادیویی تپ‌اختر هنگام عبور از پشت محیط مغناطیسی همدمش به مدت 85 ثانیه ناپدید شد. این یعنی ما مدار را تقریباً از لبه می‌بینیم. این تنها دومین گرفتی است که تاکنون در یک ستارهٔ نوترونی دوتایی دیده شده، پس از تپ‌اختر دوتایی معروف PSR J0737−3039A.

نسبیت عام باعث می‌شود بیضی به‌آرامی بچرخد — پیشروی حضیض (advance of periastron) — نزدیک‌ترین نقطهٔ مدار آرام‌آرام به دور می‌خزد —، که در اینجا 0.017791 درجه در سال اندازه‌گیری شده است، همان‌گونه که پیش‌بینی شده بود. اما این پیشروی یکنواخت نیست: نزدیک نزدیک‌ترین نقطه شتاب می‌گیرد. روی این مدار تقریباً سهموی، سمت‌گیری مدار در خلال خودِ گذر تغییر می‌کند و تپ‌اختر را نخست به ما نزدیک و سپس از ما دور می‌کند، و تپ‌هایش را میان −2.91 و +2.49 میلی‌ثانیه جلو و بعد عقب می‌اندازد، بیش از ده برابر هر سامانهٔ دیگری از این دست.

زادهٔ یک ضربهٔ شدید

گمان می‌رود چنین جفت‌هایی از دو ستارهٔ پرجرم پدید می‌آیند که یکی پس از دیگری منفجر می‌شوند. به گفتهٔ نویسندگان، خروج از مرکز افراطی تنها می‌تواند از «ضربه‌ای» (kick) بزرگ ناشی شود که هنگام فروریزش هستهٔ آهنی ستارهٔ مادر به ستارهٔ نوترونی دوم وارد شده است. شبیه‌سازی‌هایشان ضربه‌ای بیش از حدود 400 کیلومتر بر ثانیه را پیشنهاد می‌کنند.

آن‌ها همچنین حدود یک میلیارد دوتایی پرجرم را شبیه‌سازی کردند. در میان ستارگان نوترونی دوتاییِ بازمانده، آن‌هایی که خروج از مرکزی بالاتر از 0.95 و دورهٔ تناوب 50 تا 110 روز دارند کمتر از 0.5% را تشکیل می‌دهند. با این حال این یکی در میان تنها 28 مورد شناخته‌شده بیرون از خوشه‌های کُره‌ای، در قرص کهکشان، پیدا شد. به گفتهٔ نویسندگان، «یا ما بسیار خوش‌شانسیم یا نظریهٔ کنونی تحول دوتایی‌ها و فهم کنونی ما از ابرنواخترهای فروریزش هسته نیاز به اصلاح دارند».

فوران‌هایی از امواج گرانشی

از آنجا که دو ستاره تنها هر 79 روز یک بار به هم نزدیک می‌شوند، امواج گرانشی را به‌صورت فوران‌های دوره‌ای گسیل می‌کنند. اوج این گسیل نزدیک 0.357 میلی‌هرتز است، یک چرخه در هر 47 دقیقه — به درازای نزدیک‌ترین گذر. این برای رصدخانه‌های فضایی امواج گرانشی برنامه‌ریزی‌شدهٔ LISA، Taiji و TianQin بیش از حد ضعیف است، اما طرح‌های آیندهٔ پیشنهادی‌ای چون LISAmax می‌توانند آن را در طول ده سال آشکار کنند. این جفت حدود 2.5 میلیارد سال دیگر ادغام خواهد شد و با رویدادی مانند GW170817 پایان خواهد یافت.