science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Tiny Yet Mighty:Neutronensterren kunnen vurige röntgenstralen zijn

Dankzij de Chandra X-ray Observatory, astronomen hebben een ultralichte röntgenbron gevonden in het spiraalstelsel M 83, hier afgebeeld. Recenter, astronomen ontdekten een ULX in het M51-sterrenstelsel. NASA/CXC/Curtin University/R.Soria et al.

Neutronensterren zijn misschien niet zo zwaar als hun meer massieve neven van zwarte gaten, maar ze kunnen net zo machtig zijn als het gaat om het genereren van geweldig röntgenvuurwerk.

Sinds de jaren tachtig, astronomen hebben bronnen bestudeerd van intense röntgenstralen die uitbarsten vanuit de buitenste regionen van andere sterrenstelsels. Ze worden ultralichtgevende röntgenbronnen genoemd, of ULX's, en ze produceren meer energie dan een miljoen zonnen. Gebruikelijk, astronomen zouden zulke krachtige emissies waarnemen in de kernen van actieve sterrenstelsels, waar voedende superzware zwarte gaten op de loer liggen, maar ULX's zijn verre van deze kolossen. Het idee was dat ze werden gegenereerd door kleinere zwarte gaten met een stellaire massa - van enkele tientallen zonsmassa's - die zich voeden met de gassen van ongelukkige sterren.

Maar in 2014 begon een verbijsterend patroon te ontstaan ​​toen NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) -missie en andere ruimtetelescopen deze raadsels begonnen te bestuderen. Het blijkt dat ULX's misschien helemaal niet worden aangedreven door zwarte gaten; liever, neutronensterren lijken de boosdoener te zijn.

"Het was een grote verrassing, " zegt Fiona Harrison, hoofdonderzoeker van de NuSTAR-missie en hoogleraar natuurkunde aan Caltech, in Pasadena, Californië. "In eerste instantie dachten mensen dat er iets mis was met de observatie."

Verre van verkeerd te zijn, in een nieuwe studie, co-auteur van Harrison en gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy, er is bevestigd dat een neutronenster de motor is achter een ULX in het beroemde Whirlpool-sterrenstelsel, ook bekend als M51. Het sterrenstelsel bevindt zich op 28 miljoen lichtjaar van de aarde. Het is de vierde keer dat astronomen een ULX hebben geïdentificeerd die wordt aangedreven door een neutronenster.

Men denkt dat het M51-sterrenstelsel de thuisbasis is van een ontzagwekkende ultralichtgevende röntgenbron (links) die wordt aangedreven door een neutronenster. NASA/CXC/Caltech/M.Brightman et al.; Optisch:NASA/STScI

Tijdens het bestuderen van archiefgegevens van NASA's Chandra X-ray Observatory, de onderzoekers zagen een mysterieuze dip in het ULX-lichtspectrum. Toen ze het onderzochten, ze afgeleid dat het moet zijn veroorzaakt door cyclotron resonantie verstrooiing, een fenomeen dat optreedt in sterk magnetische omgevingen en wordt veroorzaakt door geladen deeltjes, zoals elektronen en protonen, spiraalsgewijs rond het magnetische veld.

Hier is de kicker:zwarte gaten hebben geen magnetische velden, overwegende dat neutronensterren bekend staan ​​als magnetische krachtpatsers, dus het feit dat het spectrum van deze ULX de vingerafdruk heeft van cyclotronresonantieverstrooiing is een grote aanwijzing dat een zwart gat het niet aandrijft, maar een neutronenster is .

Ravenous Neutronensterren

Neutronensterren zijn superdichte stellaire overblijfselen die achterblijven nadat een ster geen brandstof meer heeft en explodeert als een supernova. Samengesteld uit gedegenereerde materie, slechts een theelepel neutronenster spul zou net zoveel wegen als een berg. Deze objecten zijn extreem magnetisch; het hele magnetische veld van de ster waar het vandaan kwam, is gekrompen tot een object ter grootte van een stad. Maar om een ​​neutronenster een ULX te laten genereren, er moet iets heel bijzonders aan de hand zijn.

Mocht een neutronenster deel uitmaken van een binair systeem, waar twee sterren om elkaar heen draaien, het kan beginnen te trekken aan de hete gassen van zijn binaire partner, door het naar een accretieschijf te slepen. Terwijl het gas in de richting van de neutronenster valt, het zal opwarmen, het genereren van krachtige röntgenstraling. Maar er is een limiet aan hoeveel röntgenenergie een neutronenster kan genereren.

"Op dezelfde manier dat we maar zoveel voedsel tegelijk kunnen eten, er zijn grenzen aan hoe snel neutronensterren materie kunnen aangroeien, " zei Murray Brightman, een postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en de hoofdauteur van de studie, in een verklaring.

Naarmate de zaak binnenkomt, er worden meer röntgenstralen gegenereerd, maar dit is niet houdbaar. Op een bepaald moment - iets dat de Eddington-limiet wordt genoemd - zal de röntgenstraling zo krachtig worden dat het fysiek nog meer gas zal wegduwen dat in de accretieschijf van de neutronenster valt. Het is een natuurlijke afsnijding. Zodra de röntgenenergie deze limiet bereikt, de gastoevoer is verstopt, en de röntgenstraling is beperkt.

"Maar ULX's doorbreken op de een of andere manier deze limiet om zulke ongelooflijk heldere röntgenstralen af ​​​​te geven, en we weten niet waarom, ' voegde Brightman toe.

De onderzoekers hebben een vermoeden, echter, dat de magnetische persoonlijkheid van de neutronenster de sleutel kan zijn. Ze denken dat de dalingen veroorzaakt door cyclotronresonantieverstrooiing in de röntgenspectra - zoals die in de ULX van M51 - ons kunnen helpen te begrijpen wat er aan de hand is.

Als de cyclotron-resonantieverstrooiing wordt veroorzaakt door protonen interactie met het magnetische veld van de neutronenster, dit zou onthullen dat het magnetisme rond de neutronenster extreem is. Extreem magnetisme zou de druk van de ULX-röntgenstralen kunnen verminderen, waardoor er meer gas in de neutronenster kan vallen, turbo-boost van de röntgenstraling. Als de resonantie wordt veroorzaakt door elektronen , echter, dat zou duiden op een zwakker magnetisch veld, een die de ULX-energie niet kan verklaren.

Er is meer werk nodig voordat we zeker weten of extreme magnetische velden rond neutronensterren hen in staat stellen boven hun gewicht uit te slaan.

"Als [ULX's] magnetars zijn, wordt het voor hen gemakkelijker om zo helder te lijken, ' zegt Harrison.

Dat is nu interessant

Het is mogelijk dat ULX's worden aangedreven door magnetars, de meest magnetische familie van neutronensterren, dus de ULX in het draaikolkstelsel zou kunnen worden aangedreven door het meest exotische type neutronenster.