Milliseconde pulsars zijn oude neutronensterren die meer dan honderd keer per seconde om hun as wentelen. Ze bevinden zich vrijwel altijd in dubbelstersystemen, en hun snelle rotatie wordt verklaard doordat ze in het verleden veel materie hebben opgevangen van de buitenlagen van hun begeleidende ster, die hierna een witte dwergster is geworden. De recente ontdekking van een milliseconde pulsar met twee witte dwergen als begeleiders (Ransom et al. 2014) kwam als een grote verrassing, en de vorming van zo’n stelsel leek op het eerste gezicht een compleet raadsel. De astrofysici Ed van den Heuvel van de Universiteit van Amsterdam en Thomas Tauris uit Bonn zijn er desalniettemin in geslaagd een model op te stellen dat op consistente wijze de vorming van dit bijzondere stelsel verklaart. Dit model wordt op 6 Januari 2014 online gepubliceerd in de Astrophysical Journal Letters.
Op grond van berekeningen van de evolutie van de drie sterren in combinatie met een analyse van de stabiliteit van drievoudige stelsels presenteren Tauris en Van den Heuvel een model dat nieuw inzicht geeft in de evolutie van meervoudige stersystemen. Deze studie geeft tevens nieuw inzicht in de vorming van een aantal recent ontdekte milliseconde pulsars in dubbelsterren met heel vreemde banen, die waarschijnlijk alleen verklaard kunnen worden doordat er oorspronkelijk nog een derde ster in deze stelsels aanwezig is geweest. Eén van de belangrijkste resultaten van de studie is dat de waargenomen banen en massa’s van de witte dwergen tonen dat deze beide sterren inderdaad in het huidige drievoudige stelsel zijn ontstaan, en niet later zijn ingevangen, bijvoorbeeld in een sterrenhoop.
Pulsars zijn snel ronddraaiende neutronensterren met een zeer sterk magneetveld. Alles aan een neutronenster is extreem. Het is een bol met een middellijn van slechts 20 kilometer – niet groter dan Amsterdam – waarin vierhonderdduizend (400.000) maal zoveel materie is samengebald als in de aarde. In een volume zo groot als een regendruppel zit in een neutronenster evenveel materie als van alle zeven miljard mensen op aarde tezamen. Pulsars zijn de uitgebrande overblijfsels van het binnenste van sterren die hun leven meer dan acht keer zo zwaar als de zon begonnen. Die sterren eindigen met een gigantische supernovaexplosie, waarna een pulsar achterblijft. De snelst roterende neutronensterren zijn de milliseconde pulsars, die meer dan honderd keer per seconde om hun as wentelen. Hun enorm sterke zwaartekracht verhindert dat ze door de zeer grote centrifugaal krachten van hun snelle rotatie uiteen worden getrokken. Ze kregen hun snelle aswenteling door het overstromen van snel roterende gasmassa’s vanuit de buitenlagen van een begeleidende gewone ster zoals de zon. We kennen thans zo’n 200 milliseconde pulsars die tussen de 100 en meer dan 700 keer per seconde om hun as wentelen. Ze bevinden zich zowel in de schijf van de Melkweg als in bolvormige sterrenhopen.
Sinds de ontdekking 40 jaar geleden van neutronensterren in dubbelsterren, hebben theoretische astrofysici het overstromen van materie in dubbelsterren onderzocht om het ontstaan van deze stelsels te verklaren. Een verrassende nieuwe ontdekking is die van een milliseconde pulsar met twee witte dwergen als begeleiders. Witte dwergen zijn, net als neutronensterren, uitgebrande zeer compacte (“ontaarde”) sterren, maar niet zo compact als een neutronenster, en hun ontstaan gebeurt geleidelijk, zonder explosies. Ze zijn ongeveer even groot als de aarde maar ze bevatten zo’n honderdduizend keer zoveel materie. Ze zijn overblijfselen van sterren die niet veel zwaarder begonnen zijn dan onze zon.
“Dit is een wel heel bijzonder stelsel, met drie ontaarde sterren. Het heeft drie stadia van massaoverdracht en een supernovaexplosie overleefd, en toch bleven de drie sterren bij elkaar en bleef het stelsel stabiel”, zegt Thomas Tauris, eerste auteur van deze studie. “Al eerder zijn milliseconde pulsars gevonden waar planeten omheen draaien en de laatste jaren zijn ook enkele vreemde dubbelster-pulsars gevonden die vermoedelijk uit drievoudige systemen zijn ontstaan. Maar deze nieuwe milliseconde pulsar is de eerste die ontdekt werd met twee begeleiders.” In de laatste zes maanden hebben Thomas Tauris en Ed van den Heuvel een semi-analytisch model ontwikkeld om het ontstaan van dit stelsel te verklaren. Eén van de hoofdresultaten van hun werk is dat de waargenomen banen en massa’s van de twee witte dwergen tonen dat deze inderdaad in het huidige stelsel zijn ontstaan.
Drievoudige sterren worden dikwijls dynamisch instabiel gedurende hun evolutie en één van de grote uitdagingen was om een oplossing te vinden die dynamisch stabiel bleef tijdens de gehele evolutie, inclusief het stadium waarin de zwaarste van de drie sterren explodeerde als een supernova. “Een interessant resultaat van ons werk is dat de drie sterren door een stadium zijn gegaan waarin de twee lichtste sterren (die later de witte dwergen werden) in de buitenlagen van de zwaarste ster terechtkwamen toen die ster een reuzenster werd, voorafgaand aan zijn supernovaexplosie. De grote afremming die de twee lichte sterren toen bij hun baanbeweging hebben ondervonden, bij het doorploegen van de mantel van de zware ster, deed hun banen sterk krimpen, wat er veel toe heeft bijgedragen dat ze de latere supernovaexplosie van de reus konden overleven”, zegt Van den Heuvel.
De nieuwe drievoudige milliseconde pulsar J0337+1715 werd ontdekt door een groot Amerikaans-Europees samenwerkingsverband van radioastronomen, geleid door Scott Ransom van het National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in de VS. Vanuit Nederland namen aan de ontdekking deel J. Hessels, A. Archibald, A. Deller, V. Kondratiev en J. van Leeuwen van het Nederlands Instituut voor Radioastronomie (ASTRON) te Dwingeloo; Hessels en Van Leeuwen zijn tevens verbonden aan de Universiteit van Amsterdam.