Wetenschappers die een merkwaardige neutronenster observeren in een binair systeem dat bekend staat als de 'Rapid Burster', hebben mogelijk een veertig jaar oud mysterie rond zijn raadselachtige röntgenuitbarstingen opgelost. Ze ontdekten dat het magnetische veld een opening rond de ster creëert, grotendeels voorkomen dat het zich voedt met materie van zijn stellaire metgezel. Gas bouwt zich op tot, onder bepaalde omstandigheden, het raakt de neutronenster in één keer, intense flitsen van röntgenstralen produceren. De ontdekking is gedaan met ruimtetelescopen, waaronder ESA's XMM-Newton.

Ontdekt in de jaren 70, de Rapid Burster is een binair systeem dat bestaat uit een ster met een lage massa in zijn prime en een neutronenster - het compacte overblijfsel van de ondergang van een massieve ster. In zo'n stellair paar, de aantrekkingskracht van het dichte overblijfsel ontdoet de andere ster van een deel van zijn gas; het gas vormt een accretieschijf en spiraliseert naar de neutronenster.

Als gevolg van dit accretieproces, de meeste dubbelsterren van neutronensterren geven continu grote hoeveelheden röntgenstraling af, die worden onderbroken door extra röntgenflitsen om de paar uur of dagen. Wetenschappers kunnen deze 'type I'-uitbarstingen verklaren, in termen van kernreacties die worden ontstoken in het instromende gas – voornamelijk waterstof – wanneer het zich ophoopt op het oppervlak van de neutronenster.

Maar de Rapid Burster is een eigenaardige bron:op zijn helderst, het zendt deze type-I flitsen uit, terwijl tijdens perioden van lagere röntgenstraling, het vertoont de veel ongrijpbare 'type II'-uitbarstingen - dit zijn plotselinge, grillige en extreem intense afgifte van röntgenstralen.

In tegenstelling tot type I bursts, die geen significante afgifte van energie vertegenwoordigen ten opzichte van wat normaal wordt uitgezonden door de oplopende neutronenster, uitbarstingen van type II maken enorme hoeveelheden energie vrij tijdens perioden die anders worden gekenmerkt door zeer weinig emissie.

Ondanks veertig jaar zoeken, type II bursts zijn slechts in één andere bron gedetecteerd naast de Rapid Burster. Bekend als de Bursting Pulsar en ontdekt in de jaren negentig, dit binaire systeem bestaat uit een ster met een lage massa en een sterk gemagnetiseerde, draaiende neutronenster - een pulsar - die alleen type II-uitbarstingen vertoont.

Vanwege de schaarste aan bronnen die dit fenomeen weergeven, de onderliggende fysieke mechanismen zijn lang besproken, maar een nieuwe studie van de Rapid Burster levert het eerste bewijs voor wat er gebeurt.

"De Rapid Burster is het archetypische systeem om type II-bursts te onderzoeken - het is waar ze voor het eerst werden waargenomen en de enige bron die zowel type-I- als type-II-bursts laat zien, " zegt Jakob van den Eijnden, een promovendus aan het Anton Pannekoek Instituut voor Sterrenkunde in Amsterdam, Nederland, en hoofdauteur van een brief gepubliceerd in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

In dit onderzoek, Jakob en zijn collega's organiseerden een observatiecampagne met behulp van drie röntgenruimtetelescopen om meer over dit systeem te weten te komen.

Onder de coördinatie van co-auteur Tullio Bagnoli, die ook werkzaam was aan het Anton Pannekoek Instituut voor Sterrenkunde, het team slaagde erin om de bron in oktober 2015 gedurende een paar dagen te zien barsten met een combinatie van NASA's NuSTAR en Swift, en ESA's XMM-Newton.

Ze controleerden eerst de bron met Swift, timing van de waarnemingen voor een periode waarin ze een reeks type II-bursts verwachtten. Vervolgens, kort nadat de eerste burst werd gedetecteerd, de wetenschappers zetten de andere observatoria in beweging, XMM-Newton gebruiken om röntgenstralen te meten die rechtstreeks worden uitgezonden door het oppervlak van de neutronenster of door gas in de accretieschijf, en NuSTAR om röntgenstralen met hogere energie te detecteren, die worden uitgezonden door de neutronenster en weerkaatst door de schijf.

Met deze gegevens, de wetenschappers onderzochten de structuur van de accretieschijf om te begrijpen wat er eerder mee gebeurt, gedurende, en na deze overvloedige afgifte van röntgenstralen.

Volgens een model, type II-uitbarstingen treden op omdat het snel draaiende magnetische veld van de neutronenster het gas van de begeleidende ster op afstand houdt, voorkomen dat het dichter bij de neutronenster komt en effectief een binnenrand in het midden van de schijf creëert. Echter, terwijl het gas blijft stromen en zich ophoopt nabij deze rand, het draait sneller en sneller, en haalt uiteindelijk de draaisnelheid van het magnetische veld in.

"Het is alsof we iets naar een draaimolen gooien die heel snel ronddraait:het zou weerkaatsen, tenzij het met dezelfde snelheid wordt gegooid als de machine, " legt Jakob uit.

"Een soortgelijke evenwichtsoefening vindt plaats tussen het instromende gas en het draaiende magnetische veld:zolang het gas niet de juiste snelheid heeft, het kan de neutronenster niet bereiken en het kan zich alleen aan de rand opstapelen. Tegen de tijd dat het de juiste snelheid bereikt, er heeft zich veel gas opgehoopt en het raakt de neutronenster in één keer, die aanleiding geven tot de dramatische emissie van type II bursts."

Dit model voorspelt dat terwijl het materiaal zich opstapelt, er moet een opening ontstaan ​​tussen de neutronenster en de rand van de accretieschijf.

Bij andere modellen, de intense flitsen worden verklaard als voortkomend uit instabiliteiten in de stroom van het aangroeiende gas of uit algemeen-relativistische effecten. In elk geval, deze zouden veel dichter bij de neutronenster plaatsvinden en niet tot zo'n opening leiden.

"Een gat is precies wat we vonden bij de Rapid Burster, " zegt Nathalie Degenaar, onderzoeker bij Anton Pannekoek Instituut voor Sterrenkunde en Jakobs PhD adviseur. "Dit suggereert sterk dat de type II-uitbarstingen worden veroorzaakt door het magnetische veld."

De waarnemingen geven aan dat er een opening van ongeveer 90 km is tussen de neutronenster en de binnenrand van de accretieschijf. Hoewel niet indrukwekkend op kosmische schaal, de grootte van de opening is veel groter dan de neutronenster zelf, met een straal van ongeveer 10 km.

Deze bevinding is in lijn met de resultaten van een eerdere studie door Nathalie en medewerkers, die een soortgelijke opening rond de Bursting Pulsar had waargenomen - de andere bron waarvan bekend is dat hij type II-bursts produceert.

In de nieuwe studie van de Rapid Burster, de wetenschappers maten ook de sterkte van het magnetische veld van de neutronenster:bij 6 × 108 G, het is ongeveer een miljard keer sterker dan dat van de aarde en, meest belangrijk, meer dan vijf keer sterker dan waargenomen in andere neutronensterren met een stellaire metgezel met een lage massa. Dit zou kunnen duiden op een jonge leeftijd van dit binaire systeem, wat suggereert dat het accretieproces niet lang genoeg aan de gang is om het magnetische veld te dempen, zoals men denkt te zijn gebeurd in soortgelijke systemen.

Als deze dubbelster van de neutronenster echt zo jong is als het sterke magnetische veld aangeeft, dan wordt verwacht dat het veel langzamer zal draaien dan zijn oudere tegenhangers:toekomstige metingen van de draaisnelheid van de ster kunnen dit ongebruikelijke scenario helpen bevestigen.

"Dit resultaat is een grote stap in de richting van het oplossen van een veertig jaar oude puzzel in de astronomie van neutronensterren, terwijl het ook nieuwe details onthult over de interactie tussen magnetische velden en accretieschijven in deze exotische objecten, " concludeert Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist bij ESA.