Dankzij de nieuwste stergegevens van het Gaia-ruimteobservatorium konden astronomen voor het eerst een enorme 3D-atlas genereren van ver van elkaar verwijderde dubbelsterren binnen ongeveer 3, 000 lichtjaren van de aarde, waarvan 1,3 miljoen.

De unieke atlas, gemaakt door Kareem El-Badry, een astrofysica Ph.D. student van de Universiteit van Californië, Berkeley, zou een zegen moeten zijn voor degenen die dubbelsterren bestuderen - die minstens de helft van alle zonachtige sterren uitmaken - en witte dwergen, exoplaneten en stellaire evolutie, in het algemeen. Voor Gaia, de laatste compilatie van nabije dubbelsterren, geassembleerd met behulp van gegevens van de inmiddels ter ziele gegane Hipparcos-satelliet, inclusief ongeveer 200 waarschijnlijke paren.

"Dit is gewoon een enorme toename van de steekproefomvang, "zei El-Badry. "En het is een toename in wat voor soort evolutionaire fasen we de binaire bestanden vinden. In onze steekproef, wij hebben 17, 000 witte dwergen alleen. Dit is een veel grotere telling."

Witte dwergen zijn de eindstadia van de meeste sterren; de zon zal waarschijnlijk over 5 miljard jaar eindigen als een compacte witte dwerg. El-Badry's atlas bevat 1, 400 systemen die bestaan ​​uit twee witte dwergen en 16, 000 dubbelsterren die bestaan ​​uit een witte dwerg en een ander type ster

De overgrote meerderheid van de 2,6 miljoen individuele sterren bevindt zich nog in de bloei van hun leven, echter. Astronomen noemen ze hoofdreekssterren, omdat ze clusteren langs een lijn wanneer ze worden uitgezet in een grafiek die temperatuur versus helderheid weergeeft.

Met zo'n grote steekproefomvang, El-Badry zei:het is mogelijk om demografische gegevens van deze stellaire tweelingen te maken, vragen stellen als:Wat is de verdeling van de massaverhoudingen van de twee sterren in al deze binaire systemen? Hoe zijn hun scheidingen of excentriciteiten verdeeld?

El-Badry is van plan zich in de toekomst te concentreren op de binaire witte dwergen, omdat witte dwergen nauwkeuriger een leeftijd kunnen krijgen dan bij gewone sterren mogelijk is. Hoofdreekssterren zoals de zon kunnen er voor miljarden hetzelfde uitzien, of zelfs tientallen miljarden, jaren, terwijl witte dwergen veranderen - om te beginnen, ze koelen af ​​met een welbepaalde snelheid. En aangezien binaire paren tegelijkertijd worden geboren, de leeftijd van de witte dwerg vertelt astronomen de leeftijd van zijn hoofdreekstweeling, of van welke planeten dan ook rond de sterren.

"Voor een witte dwerg, in het algemeen, het is gemakkelijk te zeggen hoe oud het is - niet alleen hoe oud het een witte dwerg werd, maar wat zijn totale leeftijd is, "zei hij. "Je kunt ook hun massa's meten, omdat witte dwergen een goed begrepen massa-straal relatie hebben."

Als voorbeeld, El-Badry en collega's hebben onlangs de Gaia-gegevens gebruikt om de leeftijd te schatten van een gasreus ter grootte van Jupiter, ontdekt door de TESS-satelliet rond een witte dwerg-K-dwergpaar. Die exoplaneet, TOI-1259Ab, bleek ongeveer 4 miljard jaar oud te zijn, gebaseerd op de leeftijd van de witte dwerg.

"In deze catalogus er zijn ongeveer 15 systemen zoals deze:ster plus planeet plus witte dwerg, " hij zei, "en er zijn nog een paar honderd die ster plus planeet plus een andere ster zijn. Die zijn ook potentieel interessant omdat, in sommige gevallen, de andere ster zal dynamisch iets met de planeet doen."

De nieuwe catalogus van nabije dubbelsterren is geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

El-Badry werkte ook samen met Jackie Faherty, een wetenschapper en docent aan het American Museum of Natural History in New York City, om een ​​video-fly-through te maken van alle miljoen dubbelsterren rond de aarde, die een groot deel van het hele Melkwegstelsel vertegenwoordigt.

Binaire sterren

Totdat Gaia in 2013 door de European Space Agency werd gelanceerd om de afstanden en bewegingen van miljoenen nabije sterren nauwkeurig te meten, de enige manier om dubbelsterren te vinden was door te zoeken naar sterren dicht bij elkaar aan de hemel. Dit kan lastig zijn, omdat sterren die vanaf de aarde heel dichtbij lijken honderden tot duizenden lichtjaren van elkaar verwijderd kunnen zijn, gewoon langs dezelfde lijn van de site zitten.

Het uitsluiten van een toevallige uitlijning vereist veel observatietijd om te bevestigen dat de twee kandidaten zich daadwerkelijk op dezelfde afstand bevinden en samen bewegen. Door de beweging van de aarde om de zon, nabije sterren lijken van positie aan de hemel te veranderen, en die parallax kan worden gebruikt om te berekenen hoe ver weg ze zijn. De beweging van de ster langs de hemel, bekend als eigen beweging, helpt bij het bepalen van de snelheid.

Gaia voert deze vervelende astrometrie continu uit voor alle nabije sterren aan de hemel, 24/7, van zijn baan op het punt Aarde-Zon Lagrange. Het onderzoek van de ruimtetelescoop is het nuttigst voor sterren binnen ongeveer 3, 000 lichtjaren van de aarde, echter, want daarbuiten, de parallax is meestal te klein om te meten.

El-Badry zocht eerst naar dubbelsterren in Gaia-gegevens na de tweede release van stermetingen van de missie in 2018, met de hulp van collega's Hans-Walter Rix, directeur van het Max-Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland, en Tyler Heintz, een afgestudeerde student aan de Boston University. Ze ontwikkelden computertechnieken om sterren te identificeren die samen door de ruimte en op dezelfde afstand van de aarde bewegen. De techniek projecteert in feite de beweging van elke ster gedurende duizenden jaren, op basis van zijn eigen beweging vandaag, en haalt sterren tevoorschijn die in dezelfde richting bewegen. Als ze op basis van parallax ook op dezelfde afstand blijken te zijn, ze zijn waarschijnlijk aan elkaar gebonden, hij zei.

Hij en zijn collega's richten zich voornamelijk op brede binaries - die gescheiden door een afstand van 10 AU (astronomische eenheden) of meer - dat wil zeggen, 10 of meer keer de afstand tussen de aarde en de zon (93 miljoen mijl). Sterren die dichterbij zijn, verschijnen meestal als één lichtpunt en vereisen andere spectroscopische technieken om te onderscheiden of ze echte dubbelsterren zijn.

Om als eerste kennis te nemen van de laatste gegevens van Gaia, El-Badry stond om 3 uur op de releasedatum op, 3 december vorig jaar, en voegde zich bij zo'n 100 andere astronomen van over de hele wereld op Zoom. Hij voerde snel voorgeprogrammeerde zoekopdrachten uit op de gegevens om de catalogusinformatie te extraheren die hij nodig had om de 3D-kaart te maken.

De eerste zoekopdrachten leverden ongeveer 1,8 miljoen binaire kandidaten op uit Gaia's catalogus van 1,8 miljard sterren, dus moest El-Badry eerst de waarschijnlijkheid inschatten dat sommige paren zich op dezelfde afstand bevonden en toevallig in dezelfde richting bewogen, niet omdat ze gekoppeld zijn. Hij schat dat bijna 1,3 miljoen paren minstens 90% kans hadden om gebonden te worden, en 1,1 miljoen had een kans van 99%.

"Ongeveer de helft van alle zonachtige sterren zijn dubbelsterren, velen van hen te dichtbij om te onderscheiden, maar we vinden dat ongeveer 25% van alle zonachtige sterren een dubbelster heeft op afstanden van meer dan 30 AE, over de afstand tot Pluto, " zei hij. "De distributie piekt bij een scheiding van 30 of 50 AU."

Sommige paren zijn gescheiden door maar liefst een parsec-260, 000 AU, of 3,26 lichtjaar, hoewel de meeste binnen 1 zijn 000 AU van elkaar.

Een afhaalmaaltijd, hij zei, is dat de nieuwe analyse iets bevestigt dat in de gegevens van 2018 wordt gesuggereerd:veel dubbelsterparen lijken qua massa erg op elkaar.

"Eén ding hebben we al ontdekt dat cool is:we ontdekten dit met Gaia DR2 maar nu kunnen we het beter bestuderen met dit voorbeeld - is dat binaries graag identieke tweelingen zijn, "zei hij. "Dat is echt raar, omdat de meeste hiervan worden gescheiden door honderden of duizenden AU, dus ze zijn zo ver uit elkaar dat, door conventionele stervormingstheorieën, hun massa's zouden willekeurig moeten zijn. Maar de gegevens vertellen een ander verhaal:ze weten iets over de massa van hun metgezellen."

De implicatie, hij zei, is dat ze veel dichter bij elkaar vormden in een proces dat de neiging had om hun massa's gelijk te maken en vervolgens uit elkaar migreerden, misschien vanwege interacties met andere nabije sterren.

De compilatie van dubbelsterren stelde El-Badry ook in staat om de gerapporteerde onzekerheden in Gaia's metingen van stellaire posities te controleren, die andere onderzoekers die de gegevens gebruiken kunnen helpen.