आवरण उतरा एक तारा, एक छिपा साथी, 4.2 घंटे की कक्षा

हमारी आकाशगंगा (मिल्की वे) के बाहर, लघु मैगेलानी मेघ (Small Magellanic Cloud) में, एक छोटा और बहुत गर्म तारा हर 4 घंटे 10 मिनट में एक ऐसे साथी का एक चक्कर पूरा करता है जो कोई प्रकाश नहीं देता। उसका नाम DGL-3 है, और उसका छिपा साथी सबसे अधिक संभावना से एक न्यूट्रॉन तारा है, यानी वह अति-सघन ढहा हुआ केंद्रक जो किसी विशाल तारे के फटने पर बचता है।

एक तारा जिसकी बाहरी परतें उतार दी गईं

DGL-3 एक आवरण-रहित तारा (stripped star) है: किसी साथी के साथ पारस्परिक क्रिया में इसने अपना हाइड्रोजन-समृद्ध बाहरी आवरण खो दिया है। जो बचा है वह सघन, गर्म और हाइड्रोजन में निर्धन है, और अपने केंद्र में हीलियम जलाता है।

द्रव्यमान: लगभग सूर्य का 3.4 गुना, इसकी चमक से अनुमानित, बहुत असमान त्रुटि-सीमा के साथ (2.96 से 7.72 सौर द्रव्यमान)।
त्रिज्या: लगभग सूर्य की 0.77 गुना; सतह का तापमान: लगभग 71,000 केल्विन; हाइड्रोजन: उसकी सतह का केवल 10%।

इस “मध्यम” द्रव्यमान वाले तारे इतने भारी होते हैं कि उनका केंद्रक ढहकर न्यूट्रॉन तारा बन जाए, लेकिन इतने भारी नहीं कि ब्लैक होल बना सकें। वर्तमान मॉडलों में, न्यूट्रॉन तारों की वे जोड़ियाँ जो इतनी नज़दीक हों कि गुरुत्वीय तरंगें उत्सर्जित करते हुए सर्पिल पथ पर पास आकर विलीन हो जाएँ, पहले ठीक इसी चरण से गुज़रती हैं: एक आवरण-रहित तारे की परिक्रमा करता एक न्यूट्रॉन तारा। यह चरण पहले कभी सीधे नहीं देखा गया था, और विलय की अनुमानित दरें परिमाण के कई क्रमों में फैली हैं।

उस साथी को तौलना जो चमकता नहीं

टीम ने 2019 और 2022 के बीच चिली में 6.5 मीटर की मैगेलन (Magellan) दूरबीन से 38 स्पेक्ट्रम एकत्र किए। तारे की स्पेक्ट्रमी रेखाएँ — उसके प्रकाश में बिल्कुल निश्चित रंगों पर दिखने वाली काली रेखाएँ — जब वह हमारी ओर आता है तो नीले की ओर और जब दूर जाता है तो लाल की ओर खिसकती हैं (डॉप्लर प्रभाव); वे दिखाती हैं कि वह 151.4 km/s तक की गति से हमारी ओर आता और हमसे दूर जाता है, एक वृत्ताकार कक्षा पर जो हर 4.1693 घंटे में पूरी होती है।

आवर्तकाल और गति से द्रव्यमान फलन (mass function) मिलता है, जो साथी के द्रव्यमान को तारे के अपने द्रव्यमान से और पृथ्वी से दिखने वाले कक्षा के झुकाव (उसके नति-कोण, inclination) से जोड़ता है। ठीक किनारे से देखी गई कक्षा वह सबसे हल्का साथी देती है जिसकी कक्षा अनुमति देती है; तारे के अनिश्चित द्रव्यमान को हिसाब में लेने पर, उस न्यूनतम का विशिष्ट मान 1.38 ± 0.25 सौर द्रव्यमान है, जो उस 1.4 से ठीक नीचे है जहाँ तक कोई श्वेत वामन पहुँच सकता है (नीचे देखें)। इसलिए अकेली कक्षा श्वेत वामन को ख़ारिज नहीं कर सकती।

कोई सामान्य तारा नहीं: इतना भारी तारा इतनी तंग कक्षा में समाने के लिए बहुत बड़ा होता।
कोई दूसरा आवरण-रहित तारा नहीं: असली स्पेक्ट्रमों में डाले गए नकली आवरण-रहित साथी हर बार पकड़ में आ गए, फिर भी असली डेटा में उसका कोई निशान नहीं है।

जो बचता है वह एक सघन पिंड (compact object) है: एक श्वेत वामन (किसी हल्के तारे का बचा हुआ सघन केंद्रक), एक न्यूट्रॉन तारा या एक ब्लैक होल।

2.5% की डोलन से 99.4%

18 दिसंबर 2022 को ला सिया (La Silla) में 3.5 मीटर की एक दूरबीन पर लगे एक तेज़ कैमरे ने लगभग 3.4 घंटे तक हर 20 सेकंड में DGL-3 की तस्वीर ली। इसकी चमक हर कक्षा में दो बार लगभग 2.5% बढ़ती और घटती है: साथी का गुरुत्व तारे को थोड़ा-सा खींचकर अंडे का आकार दे देता है, जिसकी लंबी भुजा हमें हर चक्कर में दो बार दिखती है, उतना जितना साथी के द्रव्यमान और नति-कोण पर निर्भर करता है।

टीम ने इस प्रकाश-वक्र के 500,000 मॉडल चलाए और हर एक को इस आधार पर भार दिया कि वह डेटा से कितना मेल खाता है। साथी के द्रव्यमान के लिए:

सबसे संभावित मान 1.58 सौर द्रव्यमान है;
प्रायिकता का केवल 0.6% हिस्सा 1.4 सौर द्रव्यमान से नीचे है, यानी चंद्रशेखर सीमा से नीचे, जिसके ऊपर श्वेत वामन संभव नहीं: इसलिए 99.4% प्रायिकता है कि साथी श्वेत वामन होने के लिए बहुत भारी है;
केवल 3.4% पुष्ट ब्लैक होलों की सीमा में पड़ता है; भारी पूँछ का बाक़ी हिस्सा न्यूट्रॉन तारों और ब्लैक होलों के बीच के अंतराल में आता है।

इसलिए न्यूट्रॉन तारा सबसे संभावित साथी है: यह एक प्रायिकता है, प्रमाण नहीं। एक्स-रे दूरबीनों ने कुछ नहीं पकड़ा; अपने साथी से गैस निगलता न्यूट्रॉन तारा एक्स-रे में चमकता, लेकिन लेखक इस चुप्पी को एक कमज़ोर तारकीय पवन से पोषित न्यूट्रॉन तारे के अनुकूल मानते हैं।

कंप्यूटर मॉडल का लिखा भविष्य

इसके बाद टीम ने तारकीय विकास कोड MESA से इस तंत्र का विकास आगे चलाया: 3.6 सौर द्रव्यमान का एक आवरण-रहित तारा, 1.4 का एक न्यूट्रॉन तारा, 4.2 घंटे की कक्षा। आगे जो है वह एक भविष्यवाणी है, प्रेक्षण नहीं।

तारा अपने केंद्रक में और 14 लाख वर्ष तक हीलियम जलाता है, फिर फूल जाता है। इतनी तंग कक्षा में केवल आधी सौर त्रिज्या बढ़ना ही उसे उफनने और अपने साथी पर गैस उड़ेलने के लिए काफ़ी है।
26,000 वर्षों में 1.2 सौर द्रव्यमान अंतरिक्ष में निकल जाता है। न्यूट्रॉन तारा केवल 0.00072 सौर द्रव्यमान निगलता है, जो उसकी घूर्णन-गति बढ़ाकर हर 79 मिलीसेकंड में एक चक्कर तक पहुँचाने के लिए काफ़ी है। कक्षा सिकुड़कर 1.9 घंटे की रह जाती है।
अपनी सारी हाइड्रोजन खो चुका तारा सुपरनोवा के रूप में फटता है और एक दूसरा न्यूट्रॉन तारा छोड़ जाता है। लगभग 800 km/s की कक्षीय गति के कारण, कोई असामान्य रूप से बड़ा धक्का (kick) — वह प्रतिक्षेप जो विस्फोट नवजात न्यूट्रॉन तारे को दे सकता है — ही इस जोड़ी को अलग कर सकता है।
विस्फोट लगभग एक सौर द्रव्यमान गैस उड़ा देता है। दो न्यूट्रॉन तारे बचते हैं, 4.4 घंटे की एक अधिक चौड़ी, लंबोतरी कक्षा पर, और 22 करोड़ वर्ष बाद विलीन हो जाते हैं।

जहाँ पूर्वानुमान चूक सकता है

लेखकों के अनुसार सबसे कमज़ोर कड़ी यह है कि निकलती गैस कितना कोणीय संवेग, यानी कक्षा की “घूर्णन की मात्रा”, अपने साथ ले जाती है। मॉडल के सात रूपों में से एक में खोई हुई गैस दोनों तारों के चारों ओर एक चक्रिका बना लेती है, और जोड़ी दूसरे सुपरनोवा से पहले ही विलीन हो जाती है। बाक़ी छह में दो न्यूट्रॉन तारे बनते हैं और अंततः विलीन हो जाते हैं, 17.5 करोड़ से 7.9 अरब वर्ष बाद के बीच।

DGL-3 लगभग 60,600 पारसेक दूर है — कोई 200,000 प्रकाश-वर्ष (एक पारसेक लगभग 3.26 प्रकाश-वर्ष होता है)। लेखक बताते हैं कि अगर यह 60 से 600 गुना क़रीब, यानी 100 से 1,000 पारसेक के भीतर होता, तो LISA जैसी निम्न-आवृत्ति गुरुत्वीय-तरंग वेधशालाएँ इसे पकड़ लेतीं।