Op basis van een nieuw theoretisch model, een team van wetenschappers verkende het rijke gegevensarchief van ESA's XMM-Newton en NASA's Chandra-ruimteobservatoria om pulserende röntgenstraling van drie bronnen te vinden. De vondst, gebaseerd op eerdere gammastralingswaarnemingen van de pulsars, biedt een nieuw hulpmiddel om de mysterieuze mechanismen van pulsar-emissie te onderzoeken, wat belangrijk zal zijn om deze fascinerende objecten te begrijpen en ze in de toekomst te gebruiken voor ruimtenavigatie.

Vuurtorens van het heelal, pulsars zijn snel roterende neutronensterren die stralen uitstralen. Terwijl pulsars draaien en de stralen afwisselend naar en weg van de aarde wijzen, de bron oscilleert tussen helderdere en zwakkere toestanden, wat resulteert in een signaal dat om de paar milliseconden tot seconden lijkt te 'pulsen', met een regelmaat die zelfs wedijvert met atoomklokken.

Pulsars zijn de ongelooflijk dichte, extreem magnetisch, overblijfselen van massieve sterren, en behoren tot de meest extreme objecten in het heelal. Begrijpen hoe deeltjes zich gedragen in zo'n sterk magnetisch veld is van fundamenteel belang om te begrijpen hoe materie en magnetische velden meer in het algemeen op elkaar inwerken.

Oorspronkelijk gedetecteerd door hun radio-emissie, Het is nu bekend dat pulsars ook andere soorten straling uitzenden, hoewel meestal in kleinere hoeveelheden. Een deel van deze emissie is standaard warmtestraling - het type dat alles met een temperatuur boven het absolute nulpunt uitstraalt. Pulsars geven warmtestraling af wanneer ze materie ophopen, bijvoorbeeld van een andere ster.

Maar pulsars zenden ook niet-thermische straling uit, zoals vaak wordt geproduceerd in de meest extreme kosmische omgevingen. In pulsars, niet-thermische straling kan worden gecreëerd via twee processen:synchrotronemissie en krommingsemissie. Bij beide processen worden geladen deeltjes versneld langs magnetische veldlijnen, waardoor ze licht uitstralen dat in golflengte kan variëren van radiogolven tot gammastraling.

Niet-thermische röntgenstralen zijn meestal het gevolg van synchrotron-emissie, terwijl gammastralen afkomstig kunnen zijn van zogenaamde synchro-krommingemissie - een combinatie van de twee mechanismen. Het is relatief eenvoudig om pulsars te vinden die gammastraling uitstralen - NASA's Fermi Gamma-Ray Space Telescope heeft er de afgelopen tien jaar meer dan 200 gedetecteerd, dankzij het vermogen om de hele lucht te scannen. Maar er zijn slechts ongeveer 20 gevonden die pulseren in niet-thermische röntgenstralen.

"In tegenstelling tot onderzoeksinstrumenten die gammastraling detecteren, Röntgentelescopen moeten precies worden verteld waar ze moeten wijzen, dus we moeten ze een soort van begeleiding geven, " zegt Diego Torres, van het Instituut voor Ruimtewetenschappen in Barcelona, Spanje.

Zich ervan bewust dat er veel pulsars zouden moeten zijn die voorheen onopgemerkte niet-thermische röntgenstralen zouden uitzenden, Torres ontwikkelde een model dat synchrotron- en krommingsstraling combineerde om te voorspellen of pulsars die in gammastraling worden gedetecteerd, ook in röntgenstraling kunnen verschijnen.

"Wetenschappelijke modellen beschrijven fenomenen die niet direct kunnen worden ervaren, ", legt Torres uit.

"Dit model helpt met name de emissieprocessen in pulsars te verklaren en kan worden gebruikt om de röntgenstraling te voorspellen die we zouden moeten waarnemen, gebaseerd op de bekende gammastraling."

Het model beschrijft de gammastraling van pulsars gedetecteerd door Fermi – in het bijzonder, de helderheid die bij verschillende golflengten wordt waargenomen – en combineert deze informatie met drie parameters die de pulsar-emissie bepalen. Dit maakt een voorspelling van hun helderheid bij andere golflengten mogelijk, bijvoorbeeld bij röntgenfoto's.

Torres werkte samen met een team van wetenschappers, geleid door Jian Li van de Deutsches Elektronen Synchrotron in Zeuthen bij Berlijn, Duitsland, om drie bekende gammastraling uitzendende pulsars te selecteren die ze verwachtten, op basis van het model, om ook helder te schijnen in röntgenstralen. Ze groeven in de data-archieven van ESA's XMM-Newton en NASA's Chandra röntgenobservatoria om te zoeken naar bewijs van niet-thermische röntgenstraling van elk van hen.

"We hebben niet alleen röntgenpulsaties gedetecteerd van alle drie de pulsars, maar we ontdekten ook dat het spectrum van röntgenstralen bijna hetzelfde was als voorspeld door het model, " legt Li uit.

"Dit betekent dat het model heel nauwkeurig de emissieprocessen binnen een pulsar beschrijft."

Vooral, XMM-Newton-gegevens toonden duidelijke röntgenstraling van PSR J1826-1256 - een radiostille gammastraling-pulsar met een periode van 110,2 milliseconden. Het lichtspectrum dat van deze pulsar werd ontvangen, kwam heel dicht in de buurt van het door het model voorspelde spectrum. Röntgenstraling van de andere twee pulsars, die beide iets sneller draaien, werd onthuld met behulp van Chandra-gegevens.

Deze ontdekking vertegenwoordigt al een aanzienlijke toename van het totale aantal pulsars waarvan bekend is dat ze niet-thermische röntgenstraling uitzenden. Het team verwacht dat er de komende jaren nog veel meer zullen worden ontdekt, omdat het model kan worden gebruikt om te bepalen waar ze precies moeten worden gezocht.

Het vinden van meer röntgenpulsars is belangrijk om hun globale eigenschappen te onthullen, inclusief populatiekenmerken. Een beter begrip van pulsars is ook essentieel om mogelijk te profiteren van hun nauwkeurige timingsignalen voor toekomstige inspanningen op het gebied van ruimtenavigatie.

Het resultaat is een stap in de richting van het begrijpen van de relaties tussen de emissie door pulsars in verschillende delen van het elektromagnetische spectrum, waardoor een robuuste manier mogelijk is om de helderheid van een pulsar op een bepaalde golflengte te voorspellen. Dit zal ons helpen de interactie tussen deeltjes en magnetische velden in pulsars en daarbuiten beter te begrijpen.

"Dit model kan nauwkeurige voorspellingen doen van pulsar-röntgenstraling, en het kan ook de emissie op andere golflengten voorspellen, bijvoorbeeld zichtbaar en ultraviolet, ’ vervolgt Torres.

"In de toekomst, we hopen nieuwe pulsars te vinden die leiden tot een beter begrip van hun wereldwijde eigenschappen."

De studie benadrukt de voordelen van XMM-Newton's enorme data-archief om nieuwe ontdekkingen te doen en demonstreert de indrukwekkende mogelijkheden van de missie om relatief zwakke bronnen te detecteren. Het team kijkt ook uit naar het gebruik van de volgende generatie röntgenruimtetelescopen, inclusief de toekomstige Athena-missie van ESA, om nog meer pulsars te vinden die niet-thermische röntgenstraling uitzenden.

"Als het vlaggenschip van de Europese röntgenastronomie, XMM-Newton detecteert meer röntgenbronnen dan welke voorgaande satelliet dan ook. Het is verbazingwekkend om te zien dat het helpt om zoveel kosmische mysteries op te lossen, " concludeert Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist bij ESA.