పొరలు ఒలిచిన నక్షత్రం, కనిపించని భాగస్వామి, 4.2 గంటల కక్ష్య

పాలపుంత వెలుపల, స్మాల్ మెజెలానిక్ క్లౌడ్‌లో (Small Magellanic Cloud) ఉన్న ఒక చిన్న, అత్యంత వేడి నక్షత్రం, ఏ కాంతినీ వెలువరించని ఒక భాగస్వామి చుట్టూ ప్రతి 4 గంటల 10 నిమిషాలకూ ఒక చుట్టు పూర్తి చేస్తుంది. దాని పేరు DGL-3; దాని కనిపించని భాగస్వామి చాలావరకు ఒక న్యూట్రాన్ నక్షత్రం — భారీ నక్షత్రం పేలినప్పుడు మిగిలే, అతి సాంద్రమైన, కుప్పకూలిన కేంద్రం.

బాహ్య పొరలు ఒలిచివేయబడిన నక్షత్రం

DGL-3 ఒక పొరలు ఒలిచిన నక్షత్రం (stripped star): ఒక సహచరితో జరిగిన పరస్పర చర్యలో అది హైడ్రోజన్ అధికంగా ఉన్న తన బాహ్య కవచాన్ని కోల్పోయింది. మిగిలింది సంకుచితమైనది, వేడిది, హైడ్రోజన్ తక్కువగా ఉన్నది; దాని కేంద్రంలో హీలియం మండుతుంది.

• ద్రవ్యరాశి: సూర్యుడి ద్రవ్యరాశికి సుమారు 3.4 రెట్లు; దాని ప్రకాశం నుంచి అంచనా వేసినది, చాలా అసమానమైన దోష పరిధితో (2.96 నుంచి 7.72 సౌర ద్రవ్యరాశులు).
• వ్యాసార్ధం: సూర్యుడి వ్యాసార్ధానికి సుమారు 0.77 రెట్లు; ఉపరితల ఉష్ణోగ్రత: సుమారు 71,000 కెల్విన్; హైడ్రోజన్: దాని ఉపరితలంలో కేవలం 10%.

ఈ “మధ్యస్థ” ద్రవ్యరాశి గల నక్షత్రాలు తమ కేంద్రం న్యూట్రాన్ నక్షత్రంగా కుప్పకూలేంత బరువైనవి, కానీ కృష్ణబిలాన్ని (black hole) ఏర్పరచేంత బరువైనవి కావు. ప్రస్తుత నమూనాల్లో, గురుత్వ తరంగాలను వెలువరిస్తూ సర్పిలాకారంగా దగ్గరై విలీనమయ్యేంత బిగుతైన న్యూట్రాన్ నక్షత్ర జంటలు, మొదట సరిగ్గా ఈ దశ గుండా వెళతాయి: పొరలు ఒలిచిన నక్షత్రం చుట్టూ తిరిగే న్యూట్రాన్ నక్షత్రం. ఈ దశను ఇంతవరకు ఎవరూ నేరుగా పరిశీలించలేదు, అంచనా వేసిన విలీన రేట్లు అనేక పరిమాణ క్రమాల (orders of magnitude) మేర విస్తరించి ఉన్నాయి.

ప్రకాశించని భాగస్వామిని తూకం వేయడం

బృందం 2019 నుంచి 2022 మధ్య చిలీలోని 6.5 మీటర్ల మెజెలాన్ టెలిస్కోప్‌తో 38 వర్ణపటాలను సేకరించింది. నక్షత్రపు వర్ణపట రేఖలు — దాని కాంతిలో నిర్దిష్ట రంగుల వద్ద కనిపించే నల్లని గీతలు — అది మనను సమీపిస్తున్నప్పుడు నీలం వైపుకూ, దూరమవుతున్నప్పుడు ఎరుపు వైపుకూ జరుగుతాయి (డాప్లర్ ప్రభావం); అది మన వైపుకూ మన నుంచి దూరంగానూ గరిష్ఠంగా 151.4 km/s వేగంతో ఊగుతోందని, ప్రతి 4.1693 గంటలకు పూర్తయ్యే వృత్తాకార కక్ష్యలో తిరుగుతోందని అవి చూపిస్తాయి.

ఆవర్తన కాలం, వేగం కలిసి ద్రవ్యరాశి ఫలనాన్ని (mass function) ఇస్తాయి; అది భాగస్వామి ద్రవ్యరాశిని నక్షత్రపు సొంత ద్రవ్యరాశితోనూ, భూమి నుంచి చూసినప్పుడు కక్ష్య వాలుతోనూ (దాని వాలు కోణం, inclination) ముడిపెడుతుంది. సరిగ్గా అంచు వైపు నుంచి కనిపించే కక్ష్య, ఆ కక్ష్య అనుమతించే అత్యంత తేలికైన భాగస్వామిని ఇస్తుంది; నక్షత్రపు అనిశ్చిత ద్రవ్యరాశిని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, ఆ కనిష్ఠపు సాధారణ విలువ 1.38 ± 0.25 సౌర ద్రవ్యరాశులు — శ్వేత మరుగుజ్జు చేరగల 1.4 కి కొంచెం తక్కువ (కింద చూడండి). కాబట్టి కక్ష్య ఒక్కటే శ్వేత మరుగుజ్జు అవకాశాన్ని తోసిపుచ్చలేదు.

• సాధారణ నక్షత్రం కాదు: అంత భారీ నక్షత్రం ఇంత బిగుతైన కక్ష్యలో ఇమడలేనంత పెద్దదిగా ఉంటుంది.
• రెండో పొరలు ఒలిచిన నక్షత్రం కాదు: నిజమైన వర్ణపటాల్లోకి చొప్పించిన కృత్రిమ పొరలు ఒలిచిన సహచరులు ప్రతిసారీ గుర్తించబడ్డారు, అయినా నిజమైన డేటాలో అలాంటి జాడ ఏదీ లేదు.

మిగిలేది ఒక సంకుచిత వస్తువు (compact object): శ్వేత మరుగుజ్జు (తేలికైన నక్షత్రపు సాంద్రమైన అవశేష కేంద్రం), న్యూట్రాన్ నక్షత్రం లేదా కృష్ణబిలం.

2.5% ఊగిసలాట నుంచి 99.4%

18 డిసెంబర్ 2022 న, లా సియాలోని (La Silla) 3.5 మీటర్ల టెలిస్కోప్‌పై ఉన్న ఒక వేగవంతమైన కెమెరా సుమారు 3.4 గంటల పాటు ప్రతి 20 సెకన్లకూ DGL-3 ను చిత్రీకరించింది. దాని ప్రకాశం ప్రతి కక్ష్యకూ రెండుసార్లు సుమారు 2.5% పెరిగి తగ్గుతుంది: భాగస్వామి గురుత్వాకర్షణ నక్షత్రాన్ని కొద్దిగా గుడ్డు ఆకారంలోకి సాగదీస్తుంది, ప్రతి చుట్టుకూ దాని పొడవాటి వైపు మనకు రెండుసార్లు కనిపిస్తుంది; ఈ సాగుదల మొత్తం భాగస్వామి ద్రవ్యరాశిపైనా, వాలు కోణంపైనా ఆధారపడి ఉంటుంది.

బృందం ఈ కాంతి వక్రరేఖకు 5,00,000 నమూనాలను నడిపి, ప్రతిదాన్నీ డేటాతో ఎంత బాగా సరిపోలుతుందో దాని ఆధారంగా భారితం చేసింది. భాగస్వామి ద్రవ్యరాశికి:

• అత్యంత సంభావ్య విలువ 1.58 సౌర ద్రవ్యరాశులు;
• సంభావ్యతలో కేవలం 0.6% మాత్రమే 1.4 సౌర ద్రవ్యరాశుల కంటే తక్కువలో ఉంది — అది శ్వేత మరుగుజ్జును తోసిపుచ్చే చంద్రశేఖర్ పరిమితి: కాబట్టి భాగస్వామి శ్వేత మరుగుజ్జు కాలేనంత బరువైనదిగా ఉండే సంభావ్యత 99.4%;
• కేవలం 3.4% మాత్రమే నిర్ధారిత కృష్ణబిలాల పరిధిలో ఉంది; భారీ వైపున్న మిగిలిన భాగం న్యూట్రాన్ నక్షత్రాలకూ కృష్ణబిలాలకూ మధ్య ఉన్న అంతరంలో పడుతుంది.

కాబట్టి న్యూట్రాన్ నక్షత్రమే అత్యంత సంభావ్య భాగస్వామి: ఇది ఒక సంభావ్యత, నిరూపణ కాదు. ఎక్స్-రే టెలిస్కోపులు ఏమీ గుర్తించలేదు; భాగస్వామి నుంచి వాయువును మింగే న్యూట్రాన్ నక్షత్రం ఎక్స్-కిరణాల్లో ప్రకాశిస్తుంది, కానీ బలహీనమైన నక్షత్ర పవనం (stellar wind) ద్వారా పోషించబడే న్యూట్రాన్ నక్షత్రంతో ఈ నిశ్శబ్దం పొసగుతుందని రచయితలు భావిస్తున్నారు.

కంప్యూటర్ నమూనా రాసిన భవిష్యత్తు

తర్వాత బృందం MESA అనే నక్షత్ర పరిణామ కోడ్‌తో ఈ వ్యవస్థను పరిణమింపజేసింది: 3.6 సౌర ద్రవ్యరాశుల పొరలు ఒలిచిన నక్షత్రం, 1.4 సౌర ద్రవ్యరాశుల న్యూట్రాన్ నక్షత్రం, 4.2 గంటల కక్ష్య. తర్వాత వచ్చేది ఒక అంచనా, పరిశీలన కాదు.

1. నక్షత్రం తన కేంద్రంలో మరో 14 లక్షల సంవత్సరాలు హీలియంను మండిస్తుంది, తర్వాత ఉబ్బుతుంది. ఇంత బిగుతైన కక్ష్యలో, కేవలం అర సౌర వ్యాసార్ధం పెరిగినా అది పొంగిపొర్లి తన భాగస్వామిపైకి వాయువును ఒలకబోస్తుంది.
2. 26,000 సంవత్సరాలలో, 1.2 సౌర ద్రవ్యరాశులు అంతరిక్షంలోకి తప్పించుకుంటాయి. న్యూట్రాన్ నక్షత్రం కేవలం 0.00072 సౌర ద్రవ్యరాశులను మాత్రమే మింగుతుంది; ప్రతి 79 మిల్లీసెకన్లకు ఒక భ్రమణం చేసేలా దాన్ని వేగవంతం చేయడానికి అది చాలు. కక్ష్య 1.9 గంటలకు కుంచించుకుపోతుంది.
3. తన హైడ్రోజన్ మొత్తాన్నీ కోల్పోయిన నక్షత్రం సూపర్నోవాగా పేలి, రెండో న్యూట్రాన్ నక్షత్రాన్ని మిగుల్చుతుంది. కక్ష్యా వేగం దాదాపు 800 km/s ఉండటం వల్ల, అసాధారణంగా పెద్ద తాపు (kick) — పేలుడు కొత్తగా పుట్టిన న్యూట్రాన్ నక్షత్రానికి ఇవ్వగల ప్రతిక్షేపం (recoil) — మాత్రమే ఈ జంటను విడదీయగలదు.
4. పేలుడు సుమారు ఒక సౌర ద్రవ్యరాశి వాయువును ఎగరగొడుతుంది. మరింత విశాలమైన, పొడవాటి 4.4 గంటల కక్ష్యలో రెండు న్యూట్రాన్ నక్షత్రాలు మిగులుతాయి, అవి 22 కోట్ల సంవత్సరాల తర్వాత విలీనమవుతాయి.

అంచనా ఎక్కడ విఫలమవ్వచ్చు

రచయితల ప్రకారం, అత్యంత బలహీనమైన లంకె ఏమిటంటే, తప్పించుకునే వాయువు ఎంత కోణీయ ద్రవ్యవేగాన్ని (angular momentum) — కక్ష్య యొక్క “భ్రమణ పరిమాణాన్ని” — తనతో తీసుకుపోతుందనేది. ఏడు నమూనా రూపాంతరాల్లో ఒకదానిలో, కోల్పోయిన వాయువు రెండు నక్షత్రాల చుట్టూ ఒక పళ్ళెంలా (disc) ఏర్పడుతుంది, ఆ జంట రెండో సూపర్నోవాకు ముందే విలీనమవుతుంది. మిగిలిన ఆరింటిలో, రెండు న్యూట్రాన్ నక్షత్రాలు ఏర్పడి, చివరికి విలీనమవుతాయి — 17.5 కోట్ల నుంచి 790 కోట్ల సంవత్సరాల తర్వాత.

DGL-3 సుమారు 60,600 పార్సెక్కుల దూరంలో ఉంది — దాదాపు 2,00,000 కాంతి సంవత్సరాలు (ఒక పార్సెక్ సుమారు 3.26 కాంతి సంవత్సరాలు). అది 60 నుంచి 600 రెట్లు దగ్గరగా, అంటే 100 నుంచి 1,000 పార్సెక్కుల లోపల ఉంటే, LISA వంటి అల్ప-పౌనఃపున్య గురుత్వ తరంగ అబ్జర్వేటరీలు దాన్ని గుర్తించగలవని రచయితలు పేర్కొన్నారు.