De to ekstremt kompakte stjernerestene går i bane rundt hverandre på 2 timer og 22 minutter. Banen krymper gradvis, og om rundt 82 millioner år ventes stjernene å kollidere.

Forskerne publiserte funnene 15. september i tidsskriftet Physical Review Letters.

Et sjeldent system

Nøytronstjerner er sammenpressede kjerner etter massive stjerner som har eksplodert som supernovaer. Hver av dem kan inneholde mer masse enn solen i en kule med en diameter på omtrent 20 kilometer. Noen nøytronstjerner kalles pulsarer. De roterer raskt og sender stråler av radiobølger gjennom rommet, omtrent som kosmiske fyrlykter.

Rotasjonen er så regelmessig at pulsarenes signaler kan brukes som svært presise klokker. Likevel er det få pulsarer som går i bane rundt en annen nøytronstjerne.

«Det finnes bare 30 slike doble nøytronstjernesystemer, og de relativistiske effektene er svært sterke når de går i kompakte baner», sa studiemedforfatter JinLin Han, astronom ved National Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences, til Live Science i en e-post.

Det nye systemet har fått betegnelsen PSR J1856-0039 og ligger anslagsvis 4200–6500 lysår fra jorden. Det ble oppdaget i 2020 under en kartlegging av Melkeveiens skive med det kinesiske radioteleskopet Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST), verdens største enkeltskålradioteleskop.

Han og kollegene har oppdaget rundt 900 pulsarer. Etter flere oppfølgingsobservasjoner viste PSR J1856-0039 seg å være spesielt interessant.

Pulsaren roterer rundt 43 ganger i sekundet, og de to stjernene er omtrent dobbelt så langt fra hverandre som jorden og månen. Det mest attraktive ved systemet er likevel omløpstiden på rundt 2,36 timer, opplyste Han. Det er den nest korteste omløpstiden som er kjent, og den korte banen gjør at relativistiske effekter blir sterkere enn i både det berømte dobbeltpulsarsystemet og Hulse–Taylor-systemet.

Målte tre effekter

Forskerne observerte paret med FAST 17 ganger mellom 2020 og 2025. Noen av observasjonene varte lenge nok til å dekke en hel omløpsrunde. Ved å registrere nøyaktig når pulsene ankom, kunne de sammenligne målingene med banemodeller som tok høyde for relativistiske effekter.

Den første effekten er at banen krymper fordi stjernene sender ut gravitasjonsbølger. De to objektene kommer rundt 2,7 meter nærmere hverandre hvert år.

Den andre effekten er at den ovale banen dreier seg med 17,6 grader i året. Det skjer rundt 150 000 ganger raskere enn den relativistiske dreiningen av Merkurs bane.

Den tredje effekten skyldes at både gravitasjon og høy fart påvirker tiden. Pulsarens klokke går derfor med varierende hastighet gjennom den ovale banen, noe som forskyver pulsene med opptil omtrent et halvt millisekund.

«Med så mange målinger fra FAST, som det ville være vanskelig for andre teleskoper å matche i nøyaktighet, fikk vi ikke bare de grunnleggende parameterne for pulsaren og banen, men også tre relativistiske effekter», sa Han.

Den laveste samlede massen

Målingene gjorde det mulig å beregne massen til begge stjernene. Pulsaren har en masse på omtrent 1,3 ganger solens masse, mens følgestjernen har en masse på bare 1,19 solmasser. Det gjør den til en av de minst massive kjente nøytronstjernene.

Den samlede massen er den laveste som er målt i et dobbelt nøytronstjernesystem. Simuleringer tyder samtidig på at supernovaer neppe kan danne nøytronstjerner som er særlig mye lettere enn dette.

Om rundt 82 millioner år vil stjernene smelte sammen. Forskerne anslår at sammensmeltingen trolig vil etterlate en tyngre nøytronstjerne på omtrent 2,26 solmasser. Det er også mulig at restene i stedet kollapser til et svart hull.

En ny presisjonstest av Einsteins teori

To av de tre målte effektene er tilstrekkelige til å beregne massen til begge stjernene. Den tredje fungerer som en uavhengig kontroll. Dersom den generelle relativitetsteorien stemmer, skal alle tre effektene gi de samme massene. Det gjorde de.

«Vi fant at den generelle relativitetsteorien er nødvendig for å forklare dataene, og samsvaret er på omtrent én prosent», sa Han.

Det såkalte dobbeltpulsartestet er mer presist, men bygger på 16 års data, mot rundt fem år for det nye systemet. Forskerne fant dermed ikke avvik som kunne ha pekt mot ny fysikk.

Det neste målet er å registrere «frame dragging», en effekt der en roterende masse vrir romtiden rundt seg og får nærliggende baner til å vakle. Teamet planlegger derfor å følge pulsaren i flere tiår.

En måling av denne effekten kan avsløre pulsarens treghetsmoment, som avhenger av hvordan massen er fordelt inne i stjernen. Det kan gi ny informasjon om hvordan materie oppfører seg ved de enorme tetthetene i nøytronstjernenes indre.