NOAO: The Coolest Known White Dwarf: A Diamond in the Sky?

NOAO: The Coolest Known White Dwarf: A Diamond in the Sky?

“Up above the world so high, like a diamond in the sky…” A team of astronomers, using multiple telescopes, has identified the coolest, faintest white dwarf star known. White dwarfs are the extremely dense end states of stars like our sun: after their nuclear fuel is exhausted, they collapse from the size of a star (about 1,000,000 miles across) to the size of the Earth (7,000 miles across). This white dwarf, located in the constellation Aquarius, is so cool that its carbon has crystallized—in other words, it’s like a diamond, with a mass similar to that of our sun.

The path to this discovery began when Dr. Jason Boyles, then a graduate student at West Virginia University, identified what astronomers refer to as a millisecond pulsar in this location. Pulsars are spinning neutron stars—the collapsed end state of a star many times more massive than our sun, but only about 20 miles across. Known as PSR J2222-0137, which simply identifies its position in the sky, this pulsar is spinning over 30 times a second. Its orientation is such that as it spins, a beam from its magnetic pole sweeps repeatedly past the earth, giving rise to regular blips of radio waves. (The pulsar is detected only in radio waves, not in visible light.) The observations also revealed that this pulsar is gravitationally bound to a companion star: the two orbit around each other every 2.45 days. It is this companion object that appears to be either another neutron star or, more likely, a remarkably cool white dwarf.

The distance to the pulsar was already known from parallax measurements made by Dr. Adam Deller at the Netherlands Institute for Radio Astronomy. Parallax, which utilizes the motion of the earth around the sun, is the gold standard for determining distances to astronomical objects. At only about 900 light-years away, it is one of the closest neutron stars known. Knowing the distance is crucial for calculating the intrinsic brightness, and therefore the temperature, of the stellar remnants. And as the lead author of this paper, Prof. David Kaplan, remarked, “These same observations also pinpointed the position of the pulsar extremely precisely. That’s how we can be so certain that all of the other stars in the field are not the pulsar. You could say that we know the position of the pulsar to better than one pixel.” This became very important when they searched for the optical evidence of the white dwarf companion.

It is also critical to know the mass of each component of the binary system. To determine these, the team applied Einstein’s theory of general relativity, which first predicted that light (or radio waves) slows in the gravitational field of a massive object. From the periodic delay of the radio signal as the radio beam from the pulsar skimmed over the surface of the companion, combined with the law of gravity, the team could determine the orientation of the orbit of the two stars in space, as well as their individual masses. They found the pulsar has a mass of 1.2 times that of the sun and the companion has a mass of 1.05 times that of the sun.

Next, they searched for visible and infrared evidence of the companion, using the Southern Astrophysical Research (SOAR) telescope in Chile and the Keck telescope in Hawaii. With their knowledge of the distance of the pulsar, the team was able to calculate how intrinsically faint the companion object is. But nothing could be seen at the position of the pulsar and its white dwarf companion! As Bart Dunlap, a graduate student at the University of North Carolina at Chapel Hill and one of the team members, said, “Because of the radio observations, we know exactly where to look, so we pointed SOAR there and collected light for two and a half hours. Our final image should show us a companion 100 times fainter than any other white dwarf orbiting a neutron star and about 10 times fainter than any known white dwarf, but we don’t see a thing. If there’s a white dwarf there, and there almost certainly is, it must be extremely cold.” Figure 1 shows the region around the pulsar: the position of the pulsar in this image is known to within one pixel, or about 1/400 the size of this image.

Such a cool, collapsed star is calculated to be composed of mostly carbon and oxygen, which means it might be largely crystallized carbon—a big diamond! While such cool white dwarfs are theoretically not that rare, it was the fortuitous combination of circumstances that led the team to be able to identify this one. This star was probably born very early in the history of the Milky Way, and it has gradually been getting cooler and fainter ever since.

The paper, with lead author David Kaplan, University of Wisconsin–Milwaukee, has been accepted for publication in the Astrophysical Journal.

The SOAR Telescope is a joint project of Conselho Nacional de Pesquisas Científicas e Tecnológicas CNPq-Brazil, The University of North Carolina at Chapel Hill, Michigan State University, and the National Optical Astronomy Observatory, a division of the National Optical Astronomy Observatory, operated by the Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) under a cooperative agreement with the National Science Foundation

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“Arriba del mundo en lo más alto, como un diamante en el cielo…”  Un equipo de astrónomos, usando telescopios múltiples, ha identificado la más fría, remota enana blanca conocida.  Las enanas blancas son los estados finales extremadamente densos de las estrellas como nuestro sol: después de que su combustible nuclear está agotado, ellas colapsan desde el tamaño de una estrella (alrededor de 1.000.000 de millas de diámetro) hasta el tamaño de la Tierra (7.000 millas de diámetro).  Esta enana blanca, localizada en la constelación de Acuario, es tan fría que su carbono se ha cristalizado – en otras palabras, es como un diamante, con una masa similar a la de nuestro sol.

La ruta a este descubrimiento comenzó cuando el Dr. Jason Boyles, en ese entonces un estudiante graduado en la Universidad de West Virginia, identificó a lo que los astrónomos se referían como un pulsar de milisegundo en esa ubicación.  Los Pulsares son estrellas giratorias de neutrones – el estado terminal de colapso de una estrella muchísimas veces más masiva que nuestro sol, pero con un diámetro de solo 20 millas.  Conocida como PSR J2222-0137, la cual identifica simplemente su posición en el cielo, este pulsar gira más de 30 veces por segundo.  Su orientación es tal que a su giro, un rayo desde su polo magnético barre repetidamente la tierra, formando regulares ondas de radio. (El pulsar es detectado solamente en ondas de radio, no con luz visible).  Las observaciones también revelaron que este pulsar está ligado a una estrella acompañante: las dos órbitas alrededor de cada una son de 2.45 días.  Es este objeto acompañante el que parece ser otra estrella de neutrones o más probable, una enana blanca extraordinariamente fría.

La distancia del púlsar ya era conocida a partir de mediciones de paralaje hechas por el Dr. Adam Deller en el Instituto Holandés de Radioastronomía. Paralaje, que utiliza el movimiento de la Tierra alrededor del sol, es la regla de oro para determinar las distancias a los objetos astronómicos. A tan sólo unos 900 años luz de distancia, es una de las estrellas de neutrones más cercanas conocidas. Conocer la distancia es crucial para calcular el brillo intrínseco, y por lo tanto la temperatura, de los restos estelares. Y como el autor principal de este trabajo, el Prof. David Kaplan, comentó: "Estas mismas observaciones también identificaron la posición del pulsar de forma extremadamente precisa. Así es como podemos estar tan seguros de que todas las otras estrellas en el campo no son el púlsar. Se podría decir que conocemos la posición del púlsar mejor que un píxel. "Esto se convirtió en algo muy importante cuando se buscaron las pruebas ópticas del acompañante de la enana blanca.”

También es importante saber la masa de cada componente del sistema binario.  Para determinar esto, el equipo aplicó la teoría de la relatividad general de Einstein, que por primera vez predijo que la luz (o las ondas de radio) se desaceleran en el campo gravitatorio de un objeto masivo. Desde el retraso periódico de la señal de radio como el haz de radio del púlsar pasó rozando la superficie de la compañera, junto con la ley de la gravedad, el equipo pudo determinar la orientación de la órbita de las dos estrellas en el espacio, así como sus masas individuales. Encontraron que el pulsar tiene una masa de 1,2 veces la del sol y el acompañante tiene una masa de 1,05 veces la del sol.

A continuación, ellos buscaron una evidencia infrarroja visible del acompañante, usando el Telescopio SOAR (Telescopio Austral de Investigación Astrofísica) en Chile y el telescopio Keck en Hawai,  Con su conocimiento de la distancia del púlsar, el equipo fue capaz de calcular cuán intrínsecamente débil es el objeto acompañante.  ¡Pero nada pudo ser visto en la posición del púlsar y su enana blanca acompañante!  Como dijo Bart Dunlap, un graduado de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y miembro del equipo, “A causa de las radio observaciones, sabemos exactamente dónde mirar, así que apuntamos el SOAR hacia allá y recolectamos luz por dos horas y media.  Nuestra imagen final debería mostrarnos un acompañante 100 veces más débil que cualquier otra enana blanca orbitando una estrella de neutrones y 10 veces más débil que cualquier enana blanca conocida, pero no vimos nada.  Si es que allí hubiese una enana blanca, y que ciertamente allí está, debe ser extremadamente fría.”  La Figura 1 muestra la región alrededor del pulsar: la posición del pulsar en esta imagen es conocida dentro de un pixel, o alrededor de 1/400 del tamaño de esta imagen.

Tal estrella fría, colapsada se calcula que se compone en su mayoría de carbono y oxígeno, lo que significa que podría ser en gran parte carbono cristalizado - ¡un gran diamante! Aunque tales enanas blancas frías teóricamente no son tan raras, fue la combinación fortuita de circunstancias que han llevado al equipo a ser capaces de identificarla. Esta estrella nació probablemente muy temprano en la historia de la Vía Láctea, y poco a poco se ha estado haciendo más fría y más débil desde entonces.

El artículo, con el autor principal David Kaplan, de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee, ha sido aceptado para su publicación en el Astrophysical Journal.
 
El telescopio SOAR es un proyecto conjunto del Conselho Nacional de Pesquisas Científicas e Tecnológicas CNPq-Brasil, la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, la Universidad Estatal de Michigan, y el Observatorio Astronómico Óptico Nacional, una división del Observatorio Astronómico Nacional Óptico Nacional, operado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) bajo un acuerdo cooperativo con la Fundación Nacional para la Ciencia.