Een professionele astrofysicus en een amateurastronoom hebben de handen ineen geslagen om verrassende details te onthullen over een ongewoon dubbelstelsel met een milliseconde pulsar (MSP), bestaande uit een van de snelst draaiende pulsars in onze Melkweg en zijn unieke begeleidende ster.

Hun observaties, te publiceren in de Astrofysisch tijdschrift in december, zijn de eersten die "stervlekken" op de begeleidende ster van een MSP identificeren. Plus, de waarnemingen tonen aan dat de metgezel een sterk magnetisch veld heeft, en geven aanwijzingen waarom pulsars in sommige MSP-binaire bestanden in- en uitschakelen.

Johannes Antoniadis, een Dunlap Fellow bij het Dunlap Institute for Astronomy &Astrophysics, Universiteit van Toronto, en André van Staden, een amateur-astronoom uit Zuid-Afrika, analyseerde waarnemingen van de helderheid van de begeleidende ster gemaakt door van Staden over een periode van 15 maanden, met zijn 30 cm reflectortelescoop en CCD-camera in zijn observatorium in de achtertuin in West-Kaap. De analyse onthulde een onverwachte stijging en daling van de helderheid van de ster.

In een typisch MSP-binair bestand, de zwaartekracht van de pulsar vervormt de vorm van de begeleidende ster, trek het in een traanvorm. Terwijl het de pulsar omcirkelt, we zien een cyclische stijging en daling in de helderheid van de metgezel. De metgezel is het helderst op twee punten in zijn baan, als we het breed zien, traanvormig profiel; het is het zwakst halverwege tussen die twee punten, als we zijn kleinste zien, cirkelvormig profiel. Van nature, de lichtcurve die de helderheid meet, stijgt en daalt in de pas met de omlooptijd van de metgezel.

Maar uit de waarnemingen van Antoniadis en Van Staden bleek dat de helderheid van de metgezel niet synchroon liep met zijn omlooptijd van 15 uur; in plaats daarvan treden de helderheidspieken van de ster steeds later op ten opzichte van de baanpositie van de begeleider.

Antoniadis en van Staden concludeerden dat dit werd veroorzaakt door "starspots", het equivalent van de zonnevlekken van onze zon, en dat de vlekken de helderheid van de ster verminderden. Bovendien, de vlekken waren veel groter in verhouding tot de diameter van de begeleidende ster dan de zonnevlekken van onze zon.

Ze realiseerden zich ook dat de begeleidende ster niet getijde aan de pulsar is vergrendeld, zoals de maan aan de aarde. In plaats daarvan, ze concludeerden dat de rotatieperiode van de metgezel iets korter is dan zijn omlooptijd, resulterend in de onverwachte lichtcurve.

De aanwezigheid van sterrenvlekken leidde er ook toe dat de medewerkers concludeerden dat de ster een sterk magnetisch veld heeft, een voorwaarde voor dergelijke plekken.

Een toegewijde niet-professionele astronoom voor vele jaren, van Staden heeft een bijzondere interesse in pulsars en kwam in 2014 de onderzoekswebsite van Antoniadis tegen met een lijst van MSP-binaries met optische metgezellen.

"Ik merkte op dat het binaire systeem MSP J1723-2837 zeer geschikt is voor observatie vanuit Zuid-Afrika, zegt van Staden, "en dat voor dit specifieke systeem nog geen lichtcurve was bepaald."

"Ik realiseerde me ook dat observaties schaars waren omdat professionals niet de luxe hebben om professionele instrumenten in te zetten voor continue observatie. Aan de andere kant, niet-professionals kunnen deze langetermijnobservaties maken."

"De dataset was anders dan alles wat ik ooit had gezien, " zegt Antoniadis over het ontvangen van de gegevens van Van Staden, "zowel qua kwaliteit als qua tijdsduur. En ik heb er bij André op aangedrongen om zo lang mogelijk te blijven observeren."

Waarnemingen zoals die van Van Staden zijn van cruciaal belang bij het beantwoorden van vragen over de evolutie en de complexe relatie tussen de MSP en zijn metgezel in "zwarte weduwe" en "redback" dubbelsterren-paren van sterren waarin de pulsar, zoals zijn spinachtige naamgenoot, verslindt zijn metgezel.

In een typisch scenario, een nieuw gevormde neutronenster voedt zich met gas dat door de zwaartekracht van de metgezel wordt getrokken. Als de pulsar aan massa wint, het krijgt ook impulsmoment en draait sneller.

Eventueel, de neutronenster draait honderden keren per seconde rond. Op dit punt, het gaat de volgende fase van zijn evolutie in. De neutronenster begint bundels intense straling uit te zenden die we zien als een snel pulserend signaal:een pulsar wordt geboren.

Op dit punt, de pulsar begint ook intense gammastraling af te geven en een sterke stellaire wind die de materiaalstroom van zijn buur tegenhoudt. De metgezel wordt niet langer gekannibaliseerd door de pulsar, maar het heeft alleen de middelen verhandeld waarmee het wordt geconsumeerd. Nu zijn de straling en wind van de pulsar zo intens dat ze de gedoemde ster beginnen te eroderen.

Hoe complex deze binaire MSP-systemen ook zijn, ze zijn de afgelopen jaren alleen maar meer verbijsterend geworden met waarnemingen dat pulsars uitschakelen en terugkeren naar een staat waarin ze materiaal van hun metgezel voeden - en dat ze deze overgang meerdere keren kunnen maken.

Er is gesuggereerd dat de stellaire wind en straling van de pulsar mogelijk achter de overgang zitten. Maar een bijkomend resultaat van de waarnemingen van Antoniadis en van Staden is dat de sterrenwind van de pulsar de metgezel niet beïnvloedt.

Typisch, de sterke stellaire wind van een pulsar en de intense stralingsoutput creëren een "hotspot" aan de pulsar-kant van de metgezel. Het is alsof de ster een "dag" en "nacht" kant heeft. Maar de aanwezigheid van de hotspot was niet aantoonbaar in de data. Dit kan betekenen dat de wind geheel afwezig is of in een andere richting waait dan in de richting van de ster.

Hoe dan ook, dit suggereert dat het magnetische veld van de metgezel - en niet de stellaire wind en straling van de pulsar - het mechanisme kan zijn dat pulsars uitschakelt.