Astrofysikere løser mysterium mega langt fra din hverdag
En dansk forsker har været med til at finde svaret på et eksotisk spørgsmål, som astrofysikere har bakset med i årevis.
Kollision dobbeltsystem binære stjerner neutronstjerner hvid dværg astronomi tyngebølger gravitationsbølger

En kollision mellem to kompakte objekter – som for eksempel en neutronstjerne og en hvid dværg – er en voldsom begivenhed. (Foto: Shutterstock)

Historien kort
  • En ny opdagelse, der har meget lidt med almindelige menneskers hverdag at gøre, rummer svaret på et vaskeægte mysterium:
  • Hvad sker der, når en neutronstjerne og en hvid dværg smelter sammen? Spørgsmålet har optaget astrofysikere i årtier.
  • De har tidligere observeret eksotiske røntgenkilder, som kunne repræsentere netop denne fase – men først nu er det lykkedes at udvikle en model, som bekræfter observationerne.

Lad os bare fra starten være ærlige: Studiet, som denne artikel handler om, har absolut ingen indflydelse på dig og dit liv.

Som det gælder for de fleste fænomener ude i rummet, er resultatet fuldstændig irrelevant for almindelige menneskers hverdag, og du kunne leve lykkeligt videre resten af dine dage uden at kende til det.

Men hvis du er fan af mysterier, er der alligevel grund til at læse videre.

En dansk forsker har nemlig været med til at finde svar på et eksotisk spørgsmål, som astrofysikere har bakset med i årevis; et spørgsmål, som handler om stjerner. De døde og de ekstremt kompakte af slagsen. Og hvordan de to tilsammen opnår noget helt særligt i et parløb, som kan strække sig over milliarder af år.

Kompakte objekter nærmer sig hinanden

Når en stjerne 'dør' – man siger, at den brænder ud – bliver dens ydre dele kastet væk. Tilbage er kun stjernens mest centrale del, som bliver efterladt som et kompakt objekt, for eksempel et sort hul.

Sommetider lever sådanne objekter endda i dobbeltsystemer, hvor den ene kredser om den anden. Over tid bevæger de to sig tættere og tættere på hinanden, og til sidst smelter de sammen.

Det er et ganske voldsomt fænomen, og det var faktisk netop kollisionen af to sorte huller, som forskerne i 2015 for første gang kunne måle de berømte tyngdebølger fra her på Jorden. Det kan du læse om i artiklen 'Fysikere jubler: Vi har fundet tyngdebølger!'

I det nye studie har forskerne dog vendt blikket væk fra sorte huller og i stedet fokuseret på to andre typer kompakte objekter: Neutronstjerner og hvide dværge.

Et spørgsmål, der har hængt ved

Forskerne kender i dag til en del dobbeltstjernesystemer, hvor en hvid dværg er i tæt kredsløb om en neutronstjerne.

Du kan se et eksempel på sådan et system i denne video, som er produceret af det Europæiske Syd Observatorium (ESO):

En kunstners illustration af pulsaren PSR J0348+0432 og dens ledsagende hvide dværgstjerne. (Video: ESO)

Forskerne ved, at de hvide dværge på grund af tyngdebølger over tid nærmer sig deres neutronstjerner, og de ved, at de to objekter til sidst vil smelte sammen. De ved også, at det for systemet i videoen herover vil ske om 400 millioner år. Men de ved ikke, hvad der sker, når de gør det.

»Vi kender en del af disse systemer, hvor vi ved med sikkerhed, at de vil smelte sammen. Men hvad sker der præcist, når de gør? Det er et spørgsmål, som har optaget astronomer i mange år,« lyder det fra Thomas Tauris, der er astrofysiker ved universitetet i Bonn, Tyskland. Samtidig er han adjungeret professor ved Aarhus Universitet og medforfatter på et nyt studie, som behandler netop dette spørgsmål.

Skaber en eksotisk røntgenkilde

Hidtil har teorien gået på, at de to stjerner på et tidspunkt kommer så tæt på hinanden, at de ydre dele af den hvide dværg er mere tiltrukket af neutronstjernen end af sin egen kerne. Derfor begynder den hvide dværg at overføre masse til neutronstjernen, og det skaber røntgenstråling, som er så kraftig, at den kan måles ved hjælp af røntgensatellitter.

Neutronstjerne hvid dværg astrofysik

Et dobbeltstjernesystem udsender ifølge den generelle relativitetsteori gravitationel stråling og mister dermed mekanisk energi, som fører til en ændring af omløbstiden. Det er årsagen til, at den hvide dværg nærmer sig neutronstjerne over tid. (Screendump fra ESO-video)

Astronomer har tidligere fundet eksotiske røntgenkilder – såkaldte ’ultrakompakte røntgenkilder’ – på himlen, som de gætter på kunne være netop neutronstjerner, der smelter sammen med hvide dværge. Mere nøjagtigt 14 af slagsen lokalt i vores egen Mælkevej.

Indtil nu har ingen teoretiske modeller kunnet bekræfte denne hypotese, men i det nye studie, som netop er publiceret i det videnskabelige tidsskrift MNRAS Letters, viser forskerne ved hjælp af en helt ny computerkode, at det er netop, hvad der sker – bare i meget længere tid end forventet.

Studiet er anført Thomas Tauris’ specialestuderende Rahul Sengar.

Efterlader Jupiterlignende planet

»Nu har vi lavet de første computermodeller af, hvad der egentlig sker med et sådant system, når disse kompakte objekter kommer i kontakt med hinanden,« forklarer Thomas Tauris.

»Neutronstjernen æder simpelthen den hvide dværg i løbet af et par milliarder år og efterlader kun en Jupiter-lignende planet tilbage i omløb. I denne fase kan systemerne observeres som ultrakompakte røntgenkilder. Ifølge vores teoretiske beregninger udsendes i denne fase netop en røntgenstråling med en lysstyrke, som matcher de observationer, man tidligere har gjort.«

At der til sidst ’kun’ er en Jupiterlignende planet tilbage betyder, at den hvide dværg har tabt utroligt meget af sin masse til neutronstjernen. Det kom bag på forskerne, fortæller Thomas Tauris.

»Vi var noget overraskede over, at den hvide dværg bliver skraldet af i en sådan ekstrem grad, at den ender som en planet. Vi havde nok regnet med, at masseoverførslen enten ville nå at blive ustabil eller simpelthen ophøre tidligere, før det kom så vidt.«

Neutronstjerne hvid dværg astrofysik

Her ses de faser, som neutronstjernen og den hvide dværg sammen går igennem. Det er fase 3, som hidtil har været et mysterium for astrofysikerne. (Illustration: Thomas Tauris og Charlotte Price Persson)

Modeller og observationer mødes

Thomas Tauris forklarer, at astrofysikerne det sidste halve århundrede har været i stand til at beregne masseoverførslen mellem to almindelige stjerner. Det interessante i det nye studie er efter hans mening, at man nu for første gang kan udregne masseoverførslen mellem to kompakte objekter.

Astrofysiker og seniorforsker Jérôme Chenevez fra DTU Space er enig. Han har ikke medvirket i det nye studie, men han har læst det, og han synes, det er interessant at se, hvordan modeller og observationer nu møder hinanden.

Ordforklaringer

Hvide dværge er ualmindeligt kompakte stjerner, der repræsenterer slutstadiet for over 90 procent af alle stjerners udvikling.

Neutronstjerner dannes i supernovaeksplosioner og er slutstadiet i udviklingen for de stjerner, hvis oprindelige masse er mellem ca. 8 og 25-30 gange Solens.

Røntgenstråling er elektromagnetiske bølger med en bølgelængde på ca. 0,001-10 nm.

Kilde: Den Store Danske

»Det er altid rart. Det giver en ide om evolutionsfaserne af de systemer, som vi astrofysikere faktisk kan observere, og det ser umiddelbart ud til, at de observerede systemer faktisk kan være i den fase, de beskriver i deres simulation,« siger Jérôme Chenevez, som især beskæftiger sig med rumbaserede observationer, som er udført med røntgenteleskoper.

Opfordring: Lav en artikel mere

Jérôme Chenevez understreger dog, at studiet er en anelse begrænset i sit undersøgelsesfelt.

Studiet er baseret på et nyt værktøj ved navn MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics), og Jérôme Chenevez synes, det kunne have været interessant at undersøge andre systemer i rummet også ved at anvende den nye model.

»Den nye undersøgelse viser, hvordan binære systemer (dobbeltsystemer, dvs. systemer med to objekter, red.) med to kompakte objekter udvikler sig, når man varierer deres oprindelige kredsløbsperiode. Forskerne har valgt en given masse for neutronstjernen og for dens nabostjerne, og som de også selv nævner, ville det være interessant at kunne variere,« siger han og giver et eksempel:

»Hvordan ville det for eksempel se ud, hvis det var masseforholdet, der kunne variere, eller hvis donorstjernen var en kæmpe rød stjerne i stedet for en hvid dværg?«

Til gengæld er det altid lettere at udføre samme udregninger for andre systemer, når først man har udviklet modellen, uddyber han. Dermed er der i hans optik i dén grad lagt op til en artikel nummer to.

»Så kunne vi bedre forstå udviklingen af de forskellige systemer, vi observerer, og ikke kun for denne type system,« siger Jérôme Chenevez.

Din guldring stammer fra neutronstjerner

Det er i kollisionen mellem to kompakte objekter – enten to neutronstjerner eller neutronstjerner og sorte huller – at de fleste tungere grundstoffer, som vi finder hernede på Jorden, bliver dannet.

Tidligere troede man, at de hovedsageligt blev dannet i supernovaeksplosioner, men i løbet af de senere år har astrofysikere måttet revidere denne opfattelse.

Tænk på det, næste gang du køber en guldring til kæresten; metallet stammer sandsynligvis fra kollisioner mellem neutronstjerner i en fjern fortid.

Kilde: Thomas Tauris

»For os er det spændende!«

Men så var der også lige det her spørgsmål med, hvad almindelige mennesker kan bruge de nye resultater til. Vi lagde jo egentlig ud med at melde helt klart ud, at det formentlig var meget, meget lidt – men vi spørger alligevel forskerne, hvad de mener.

»Hehe, godt spørgsmål. Generelt kan man sige, at vi lærer noget om fysikken under meget ekstreme forhold. Og måske kan det en dag bruges til et eller andet fornuftigt her nede på Jorden. Hvem ved?« lyder det fra Thomas Tauris.

Jérôme Chenevez svarer i samme boldgade:

»Det giver et rigtig godt input for at forstå de objekter, vi observerer i rummet. Men altså – helt ærligt? Så synes jeg kun, det er relevant for astrofysikere. For os er det til gengæld spændende!«

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud