ستاره‌ای لایه‌برداشته، همدمی پنهان، مداری 4.2 ساعته
ستارهٔ کوچک و بسیار داغی در ابر ماژلانی کوچک، بیرون از کهکشان راه شیری، هر 4 ساعت و 10 دقیقه یک دور کامل به دور همدمی می‌زند که هیچ نوری از خود نمی‌تاباند. نام آن DGL-3 است، و همدم پنهانش به احتمال زیاد یک ستارهٔ نوترونی است: هستهٔ فروریخته و فوق‌چگالی که پس از انفجار یک ستارهٔ پرجرم باقی می‌ماند.
ستاره‌ای که لایه‌های بیرونی‌اش کنده شده‌اند
DGL-3 یک ستارهٔ لایه‌برداشته (stripped star) است: پوشش بیرونی غنی از هیدروژن خود را در برهم‌کنش با یک همدم از دست داده است. آنچه مانده فشرده، داغ و کم‌هیدروژن است و در مرکزش هلیوم می‌سوزاند.
- جرم: حدود 3.4 برابر جرم خورشید، برآوردشده از درخشندگی‌اش، با بازهٔ خطایی بسیار نامتقارن (2.96 تا 7.72 جرم خورشیدی).
- شعاع: حدود 0.77 برابر شعاع خورشید؛ دمای سطح: حدود 71,000 کلوین؛ هیدروژن: تنها 10% از سطح آن.
ستارگانی با این جرم «میانی» آن‌قدر سنگین‌اند که هسته‌شان به یک ستارهٔ نوترونی فرو بریزد، اما نه آن‌قدر سنگین که سیاه‌چاله بسازند. در مدل‌های کنونی، جفت‌های ستارهٔ نوترونی که آن‌قدر تنگ‌اند که ادغام شوند، و هنگام گسیل امواج گرانشی مارپیچ‌وار به هم نزدیک می‌شوند، نخست دقیقاً از همین مرحله می‌گذرند: ستاره‌ای نوترونی که به دور ستاره‌ای لایه‌برداشته می‌چرخد. این مرحله هرگز مستقیماً مشاهده نشده بود، و نرخ‌های پیش‌بینی‌شدهٔ ادغام چندین مرتبهٔ بزرگی را در بر می‌گیرند.
وزن کردن همدمی که نمی‌درخشد
این گروه میان سال‌های 2019 و 2022 با تلسکوپ 6.5 متری ماژلان (Magellan) در شیلی 38 طیف گردآوری کرد. خطوط طیفی ستاره — خطوطی تیره در رنگ‌هایی دقیق در نور آن — وقتی ستاره به ما نزدیک می‌شود به سوی آبی و وقتی دور می‌شود به سوی سرخ جابه‌جا می‌شوند (اثر دوپلر)؛ این خطوط نشان می‌دهند که ستاره با سرعتی تا 151.4 کیلومتر بر ثانیه به سوی ما و دور از ما نوسان می‌کند، در مداری دایره‌ای که هر 4.1693 ساعت یک بار کامل می‌شود.
دوره و سرعت تابع جرم (mass function) را به دست می‌دهند، که جرم همدم را به جرم خود ستاره و به شیب مدار از دید زمین (میل مداری آن) پیوند می‌دهد. مداری که دقیقاً از لبه دیده شود سبک‌ترین همدمی را به دست می‌دهد که مدار اجازه می‌دهد؛ با در نظر گرفتن جرم نامطمئن ستاره، مقدار معمول این کمینه 1.38 ± 0.25 جرم خورشیدی است، درست زیر 1.4 که یک کوتولهٔ سفید می‌تواند به آن برسد (پایین‌تر را ببینید). بنابراین مدار به‌تنهایی نمی‌تواند کوتولهٔ سفید را رد کند.
- ستاره‌ای عادی نیست: ستاره‌ای با این جرم بزرگ‌تر از آن است که درون چنین مدار تنگی جا شود.
- ستارهٔ لایه‌برداشتهٔ دومی نیست: همدم‌های لایه‌برداشتهٔ ساختگی که در طیف‌های واقعی گنجانده شدند هر بار آشکار شدند، اما داده‌های واقعی هیچ ردی از چنین همدمی نشان نمی‌دهند.
آنچه می‌ماند یک جرم فشرده (compact object) است: یک کوتولهٔ سفید (هستهٔ چگال باقی‌ماندهٔ ستاره‌ای سبک‌تر)، یک ستارهٔ نوترونی یا یک سیاه‌چاله.
99.4% از نوسانی به اندازهٔ 2.5%
در 18 دسامبر 2022، یک دوربین سریع روی تلسکوپ 3.5 متری لاسیا (La Silla) هر 20 ثانیه یک بار و به مدت حدود 3.4 ساعت از DGL-3 تصویر گرفت. درخشندگی آن حدود 2.5% بالا و پایین می‌رود، دو بار در هر دور مداری: گرانش همدم ستاره را اندکی به شکل تخم‌مرغ می‌کشد، و ما سمت درازِ آن را دو بار در هر دور می‌بینیم، به اندازه‌ای که به جرم همدم و میل مداری بستگی دارد.
این گروه 500,000 مدل از این منحنی نوری اجرا کرد و به هر یک بسته به میزان همخوانی‌اش با داده‌ها وزن داد. برای جرم همدم:
- محتمل‌ترین مقدار 1.58 جرم خورشیدی است؛
- تنها 0.6% از احتمال زیر 1.4 جرم خورشیدی قرار دارد، یعنی حد چاندراسکار که کوتولهٔ سفید را کنار می‌گذارد: از این رو احتمال 99.4% وجود دارد که همدم پرجرم‌تر از آن باشد که کوتولهٔ سفید باشد؛
- تنها 3.4% در گسترهٔ سیاه‌چاله‌های تأییدشده قرار می‌گیرد؛ باقی دنبالهٔ سنگین توزیع در شکاف میان ستارگان نوترونی و سیاه‌چاله‌ها می‌افتد.
بنابراین ستارهٔ نوترونی محتمل‌ترین همدم است: یک احتمال، نه یک اثبات. تلسکوپ‌های پرتو ایکس چیزی آشکار نکردند؛ ستارهٔ نوترونی‌ای که گاز همدمش را می‌بلعد در پرتو ایکس می‌درخشد، اما نویسندگان این سکوت را با ستارهٔ نوترونی‌ای سازگار می‌دانند که با یک باد ستاره‌ای ضعیف تغذیه می‌شود.
آینده‌ای که یک مدل رایانه‌ای نوشته است
سپس این گروه سامانه را با کد تحول ستاره‌ای MESA تکامل داد: ستاره‌ای لایه‌برداشته به جرم 3.6 جرم خورشیدی، ستاره‌ای نوترونی به جرم 1.4، و مداری 4.2 ساعته. آنچه در پی می‌آید یک پیش‌بینی است، نه یک مشاهده.
- ستاره 1.4 میلیون سال دیگر در هسته‌اش هلیوم می‌سوزاند، سپس متورم می‌شود. در مداری چنین تنگ، بزرگ‌تر شدن تنها به اندازهٔ نیم شعاع خورشید کافی است تا ستاره لبریز شود و گاز را روی همدمش بریزد.
- در طول 26,000 سال، 1.2 جرم خورشیدی به فضا می‌گریزد. ستارهٔ نوترونی تنها 0.00072 جرم خورشیدی را می‌بلعد، که برای چرخاندن آن تا یک دور در هر 79 میلی‌ثانیه کافی است. مدار تا 1.9 ساعت کوچک می‌شود.
- ستاره که همهٔ هیدروژنش را از دست داده، به‌صورت ابرنواختر منفجر می‌شود و ستارهٔ نوترونی دومی به جا می‌گذارد. با سرعت مداری نزدیک به 800 کیلومتر بر ثانیه، تنها یک لگد (kick) غیرعادی بزرگ — پس‌زنی‌ای که انفجار می‌تواند به ستارهٔ نوترونی تازه‌زاده بدهد — می‌تواند این جفت را از هم جدا کند.
- انفجار حدود یک جرم خورشیدی گاز را به بیرون می‌راند. دو ستارهٔ نوترونی می‌مانند، در مداری پهن‌تر و کشیده با دورهٔ 4.4 ساعت، و 220 میلیون سال بعد ادغام می‌شوند.
جایی که پیش‌بینی ممکن است نادرست از آب درآید
به گفتهٔ نویسندگان، ضعیف‌ترین حلقه این است که گاز گریزان چه مقدار تکانهٔ زاویه‌ای، یعنی «مقدار چرخش» مدار، را با خود می‌برد. در یکی از هفت گونهٔ مدل، گاز ازدست‌رفته قرصی به دور هر دو ستاره می‌سازد، و این جفت پیش از ابرنواختر دوم ادغام می‌شود. در شش گونهٔ دیگر، دو ستارهٔ نوترونی شکل می‌گیرند و سرانجام ادغام می‌شوند، میان 175 میلیون تا 7.9 میلیارد سال بعد.
DGL-3 حدود 60,600 پارسک از ما فاصله دارد — حدود 200,000 سال نوری (هر پارسک حدود 3.26 سال نوری است). به گفتهٔ نویسندگان، اگر 60 تا 600 برابر نزدیک‌تر بود، یعنی در فاصلهٔ 100 تا 1,000 پارسکی، رصدخانه‌های امواج گرانشی بسامد پایین مانند LISA آن را آشکار می‌کردند.