Als kosmische vuurtorens die het universum overspoelen met uitbarstingen van energie, pulsars hebben astronomen gefascineerd en verbijsterd sinds ze 50 jaar geleden voor het eerst werden ontdekt. In twee onderzoeken internationale teams van astronomen suggereren dat recente beelden van NASA's Chandra X-ray Observatory van twee pulsars - Geminga en B0355 + 54 - kunnen helpen om een ​​licht te werpen op de kenmerkende emissiesignaturen van pulsars, evenals hun vaak verbijsterende geometrie.

Pulsars zijn een soort neutronenster die wordt geboren in supernova-explosies wanneer massieve sterren instorten. Aanvankelijk ontdekt door vuurtorenachtige stralen van radiostraling, meer recent onderzoek heeft uitgewezen dat energetische pulsars ook bundels van hoogenergetische gammastraling produceren.

interessant, de balken komen zelden overeen, zei Bettina Posselt, senior onderzoeksmedewerker in astronomie en astrofysica, Penn State. De vormen van waargenomen radio- en gammastralingspulsen zijn vaak heel verschillend en sommige objecten vertonen slechts het ene type puls of het andere. Deze verschillen hebben geleid tot discussie over het pulsar-model.

"Het is niet helemaal duidelijk waarom er variaties zijn tussen verschillende pulsars, " zei Posselt. "Een van de belangrijkste ideeën hier is dat pulsverschillen veel te maken hebben met geometrie - en het hangt ook af van hoe de spin en magnetische assen van de pulsar zijn georiënteerd met betrekking tot de gezichtslijn of je bepaalde pulsars ziet of niet , en hoe je ze ziet."

Chandra's afbeeldingen geven de astronomen een beter dan ooit te zien naar de kenmerkende geometrie van de geladen deeltjeswinden die in röntgenstraling en andere golflengten van de objecten uitstralen, volgens Posselt. Pulsars draaien ritmisch terwijl ze door de ruimte schieten met snelheden van honderden kilometers per seconde. Pulsar-windnevels (PWN) worden geproduceerd wanneer de energetische deeltjes die van pulsars stromen langs de magnetische velden van de sterren schieten, tori vormen - donutvormige ringen - rond het equatoriale vlak van de pulsar, en straal langs de spin-as, vaak terug vegen in lange staarten als de pulsars snel door het interstellaire medium snijden.

"Dit is een van de mooiste resultaten van onze grotere studie van pulsar-windnevels, " zei Roger W. Romani, hoogleraar natuurkunde aan de Stanford University en hoofdonderzoeker van het Chandra PWN-project. "Door de 3D-structuur van deze winden zichtbaar te maken, we hebben laten zien hoe men kan teruggaan naar het plasma dat door de pulsar in het midden wordt geïnjecteerd. Chandra's fantastische röntgenscherpte was essentieel voor deze studie, dus we zijn blij dat het mogelijk was om de diepe belichtingen te krijgen die deze vage structuren zichtbaar maakten."

Rondom de Geminga-pulsar is een spectaculaire PWN te zien. Geminga - een van de dichtstbijzijnde pulsars op slechts 800 lichtjaar van de aarde - heeft drie ongewone staarten, zei Posselt. De stromen deeltjes die uit de vermeende polen van Geminga - of laterale staarten - spuwen, strekken zich uit over meer dan een half lichtjaar, langer dan 1, 000 keer de afstand tussen de zon en Pluto. Een andere kortere staart komt ook uit de pulsar.

De astronomen zeiden dat een heel ander PWN-beeld te zien is in het röntgenbeeld van een andere pulsar genaamd B0355+54, dat is ongeveer 3, 300 lichtjaar van de aarde verwijderd. De staart van deze pulsar heeft een emissiekap, gevolgd door een smalle dubbele staart die zich bijna vijf lichtjaar van de ster uitstrekt.

Terwijl Geminga pulsen vertoont in het gammastralingsspectrum, maar is radio stil, B0355+54 is een van de helderste radiopulsars, maar vertoont geen gammastralen.

"De staarten lijken ons te vertellen waarom dat is, " zei Posselt, eraan toevoegend dat de spin-as en magnetische asoriëntaties van de pulsars van invloed zijn op de emissies die op aarde worden waargenomen.

Volgens Posselt, Geminga kan magnetische polen hebben die vrij dicht bij de boven- en onderkant van het object liggen, en bijna uitgelijnde spinpolen, net als de aarde. Een van de magnetische polen van B0355+54 zou rechtstreeks naar de aarde kunnen zijn gericht. Omdat de radio-emissie plaatsvindt in de buurt van de plaats van de magnetische polen, de radiogolven kunnen in de richting van de jets wijzen, ze zei. Gammastraling emissie, anderzijds, wordt geproduceerd op grotere hoogte in een groter gebied, waardoor de respectieve pulsen grotere delen van de lucht kunnen vegen.

"Voor Geminga, we bekijken de heldere gammastraalpulsen en de rand van de pulsar windnevel torus, maar de radiostralen bij de jets wijzen naar de zijkanten en blijven ongezien, ' zei Possel.

De sterk gebogen laterale staarten bieden de astronomen aanwijzingen voor de geometrie van de pulsar, dat kan worden vergeleken met straalcontrails die de ruimte in vliegen, of een boogschok vergelijkbaar met de schokgolf die wordt veroorzaakt door een kogel wanneer deze door de lucht wordt geschoten.

Oleg Kargaltsev, assistent-professor natuurkunde, George Washington-universiteit, die aan de studie over B0355+54 hebben meegewerkt, zei dat de oriëntatie van B0355+54 een rol speelt in hoe astronomen de pulsar zien, ook. Het onderzoek is online beschikbaar in arXiv.

"Voor B0355+54, een jet richt bijna op ons, dus we detecteren de heldere radiopulsen terwijl het grootste deel van de gammastraling in het vlak van de lucht wordt gericht en de aarde mist, "zei Kargaltsev. "Dit houdt in dat de richting van de spin-as van de pulsar dicht bij onze gezichtslijn ligt en dat de pulsar bijna loodrecht op zijn spin-as beweegt."

Noël Klingler, een afgestudeerde onderzoeksassistent in de natuurkunde, George Washington-universiteit, en hoofdauteur van de B0355+54 paper, voegde eraan toe dat de hoeken tussen de drie vectoren - de spin-as, de zichtlijn, en de snelheid zijn verschillend voor verschillende pulsars, waardoor het uiterlijk van hun nevels wordt beïnvloed.

"Vooral, het kan lastig zijn om een ​​PWN te detecteren van een pulsar die dicht bij de gezichtslijn beweegt en een kleine hoek heeft tussen de spin-as en onze gezichtslijn, ’ zei Klingler.

Bij de boogschokinterpretatie van de Geminga-röntgengegevens, Geminga's twee lange staarten en hun ongebruikelijke spectrum kunnen erop wijzen dat de deeltjes worden versneld tot bijna de lichtsnelheid via een proces dat Fermi-versnelling wordt genoemd. De Fermi-versnelling vindt plaats op het snijpunt van een pulsarwind en het interstellaire materiaal, volgens de onderzoekers die hun bevindingen over Geminga rapporteren in het huidige nummer van Astrofysisch tijdschrift .

Hoewel er verschillende interpretaties op tafel liggen voor Geminga's geometrie, Posselt zei dat Chandra's afbeeldingen van de pulsar astrofysici helpen om pulsars te gebruiken als laboratoria voor deeltjesfysica. Het bestuderen van de objecten geeft astrofysici de kans om deeltjesfysica te onderzoeken in omstandigheden die onmogelijk te repliceren zijn in een deeltjesversneller op aarde.

"In beide scenario's Geminga biedt opwindende nieuwe beperkingen op de versnellingsfysica in pulsar-windnevels en hun interactie met de omringende interstellaire materie, " ze zei.