Вчені виявили перші затемнення гамма-променів від особливого типу подвійної зоряної системи, використовуючи дані космічного гамма-телескопа NASA Fermi. Кожна з цих так званих систем павуків містить пульсар – надщільні, швидко обертові залишки зірки, яка вибухнула в надновій зірці, – який повільно руйнує свого супутника. Міжнародна група вчених досліджувала протягом десятиліття спостереження Фермі, щоб знайти сім павуків, які зазнають цих затемнень, які відбуваються, коли зірка-компаньйон з низькою масою проходить перед пульсаром з нашої точки зору. Дані дозволили їм обчислити, як системи нахиляються відносно нашої лінії зору, та іншу інформацію.
«Одна з найважливіших цілей вивчення павуків — спроба виміряти маси пульсарів», — сказав Колін Кларк, астрофізик з Інституту гравітаційної фізики Макса Планка в Ганновері, Німеччина, який керував роботою. «Пульсари — це в основному кулі з найщільнішої матерії, яку ми можемо виміряти. Максимальна маса, яку вони можуть досягти, обмежує фізику в цих екстремальних середовищах, які неможливо відтворити на Землі».
Павукові системи розвиваються тому, що одна зірка в подвійній системі розвивається швидше, ніж її партнер. Коли більш масивна зірка стає надновою, вона залишає за собою пульсар. Цей зірковий залишок випромінює промені багатохвильового світла, включно з гамма-променями, які проникають і зникають з нашого поля зору, створюючи настільки регулярні імпульси, що вони можуть конкурувати з точністю атомного годинника.
На початку пульсар-павук «живиться» своїм компаньйоном, відсмоктуючи потік газу. У міру розвитку системи живлення припиняється, оскільки пульсар починає обертатися швидше, створюючи відтік частинок і випромінювання, які перегрівають зворотну сторону компаньйона та руйнують її.
Вчені поділяють системи павуків на два типи, названі на честь видів павуків, самки яких іноді поїдають своїх менших товаришів. Чорні вдови містять супутників з масою менше ніж 5% маси Сонця. Системи Redback приймають більших супутників, як за розміром, так і за масою, вагою від 10% до 50% від Сонця.
«До Фермі ми знали лише кілька пульсарів, які випромінювали гамма-промені», — сказала Елізабет Хейс, науковий співробітник проєкту Фермі в Центрі космічних польотів імені Годдарда НАСА в Грінбелті, штат Мериленд. «Після більш ніж десяти років спостережень місія ідентифікувала понад 300 і зібрала довгий, майже безперервний набір даних, який дозволяє спільноті займатися новаторською наукою».
Дослідники можуть обчислити маси павукових систем, вимірявши їхні орбітальні рухи. Спостереження у видимому світлі можуть визначити, наскільки швидко подорожує супутник, тоді як радіовимірювання показують швидкість пульсара. Однак вони залежать від руху до нас і від нас. Для майже прямої системи такі зміни незначні та можуть заплутати. Такі самі сигнали також може створювати менша система з повільнішою орбітою, яку видно збоку. Для вимірювання маси життєво важливо знати нахил системи відносно нашої лінії зору.
Кут нахилу зазвичай вимірюється за допомогою видимого світла, але ці вимірювання супроводжуються деякими потенційними ускладненнями. Коли компаньйон обертається навколо пульсара, його перегріта сторона входить і виходить з поля зору, створюючи коливання у видимому світлі, яке залежить від нахилу. Однак астрономи все ще вивчають процес перегріву, і моделі з різними моделями нагріву іноді передбачають різні маси пульсара.
Однак гамма-промені генеруються лише пульсаром і мають таку велику енергію, що рухаються по прямій лінії, не зазнаючи впливу уламків, якщо їх не блокує супутник. Якщо гамма-промені зникнуть із набору даних павукової системи, вчені зможуть зробити висновок, що супутник затьмарив пульсар. Звідти вони можуть обчислити нахил системи на нашу лінію зору, швидкості зірок і масу пульсара.
PSR B1957+20, або скорочено B1957, була першою відомою чорною вдовою, виявленою в 1988 році. Попередні моделі цієї системи, створені на основі спостережень у видимому світлі, показали, що вона була нахилена приблизно на 65 градусів у напрямку нашого зору та пульсара. маса була у 2,4 раза більшою за масу Сонця. Це зробило б B1957 найважчим відомим пульсаром, який переступає теоретичну межу маси між пульсаром і чорною дірою.
Переглядаючи дані Фермі, Кларк і його команда виявили 15 відсутніх фотонів гамма-випромінювання. Час гамма-імпульсів від цих об’єктів настільки надійний, що 15 відсутніх фотонів протягом десяти років є достатньо значними, щоб команда могла визначити, що система затемнює. Потім вони підрахували, що подвійна система нахилена на 84 градуси, а пульсар важить лише в 1,8 раза більше, ніж Сонце.
«Існує пошук величезних пульсарів, і ці системи павуків вважаються одним із найкращих способів їх знайти», — сказав Метью Керр, співавтор нової статті та фізик-дослідник з Науково-морської дослідницької лабораторії США у Вашингтоні. «Вони пройшли дуже екстремальний процес перенесення маси від зірки-компаньйона до пульсара. Щойно ми справді налаштуємо ці моделі, ми точно знатимемо, чи є ці системи павуків масивнішими за решту популяції пульсарів».