In 1980, onderzoekers begonnen extreem heldere bronnen van röntgenstraling te ontdekken in de buitenste delen van sterrenstelsels, weg van de superzware zwarte gaten die hun centra domineren. Aanvankelijk, onderzoekers dachten dat deze kosmische objecten, ultralichtgevende röntgenbronnen genoemd, of ULX's, waren forse zwarte gaten met meer dan tien keer de massa van de zon. Maar observaties vanaf 2014 van NASA's NuSTAR en andere ruimtetelescopen laten zien dat sommige ULX's, die gloeien met röntgenlicht dat in energie gelijk is aan miljoenen zonnen, zijn eigenlijk neutronensterren - de uitgebrande kernen van massieve sterren die explodeerden. Tot nu toe zijn drie van dergelijke ULX's geïdentificeerd als neutronensterren.

Nutsvoorzieningen, een door Caltech geleid team dat gegevens van NASA's Chandra X-ray Observatory heeft gebruikt, heeft een vierde ULX geïdentificeerd als een neutronenster - en nieuwe aanwijzingen gevonden over hoe deze objecten zo helder kunnen schijnen.

Neutronensterren zijn extreem dichte objecten - een theelepel weegt ongeveer een miljard ton, of zoveel als een berg. Hun zwaartekracht trekt omringend materiaal van begeleidende sterren naar zich toe, en terwijl aan dit materiaal wordt getrokken, het warmt op en gloeit met röntgenstralen. Maar terwijl de neutronensterren zich 'voeden' met de kwestie, er komt een moment dat het resulterende röntgenlicht de materie wegduwt. Astronomen noemen dit punt - wanneer de objecten de materie niet sneller kunnen accumuleren en nog meer röntgenstralen kunnen afgeven - de Eddington-limiet.

"Terwijl we maar zoveel voedsel tegelijk kunnen eten, er zijn grenzen aan hoe snel neutronensterren materie kunnen aangroeien, " zegt Murray Brightman, een postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en hoofdauteur van een nieuw rapport over de bevindingen in Natuurastronomie . "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."

In de nieuwe studie de onderzoekers keken naar een ULX in het Whirlpool-sterrenstelsel, ook bekend als M51, die op ongeveer 28 miljoen lichtjaar afstand ligt. Ze analyseerden archiefröntgengegevens van Chandra en ontdekten een ongebruikelijke dip in het lichtspectrum van de ULX. Nadat alle andere mogelijkheden zijn uitgesloten, ze ontdekten dat de dip het gevolg was van een fenomeen dat cyclotronresonantieverstrooiing wordt genoemd, die optreedt wanneer geladen deeltjes - ofwel positief geladen protonen ofwel negatief geladen elektronen - rondcirkelen in een magnetisch veld. Zwarte gaten hebben geen magnetische velden en neutronensterren wel, dus de bevinding onthulde dat deze specifieke ULX in M ​​51 een neutronenster moest zijn.

Cyclotron-resonantieverstrooiing creëert veelbetekenende handtekeningen in het lichtspectrum van een ster en de aanwezigheid van deze patronen, cyclotronlijnen genoemd, kan informatie geven over de sterkte van het magnetische veld van de ster, maar alleen als de oorzaak van de lijnen, of het nu protonen of elektronen zijn, is bekend. De onderzoekers hebben geen gedetailleerd genoeg spectrum van de nieuwe ULX om met zekerheid te zeggen.

"Als de cyclotronlijn van protonen is, dan weten we dat deze magnetische velden rond de neutronenster extreem sterk zijn en in feite kunnen helpen om de Eddington-limiet te doorbreken, ", zegt Brightman. Zulke sterke magnetische velden zouden de druk van de röntgenstralen van een ULX kunnen verminderen - de druk die normaal gesproken materie wegduwt - waardoor de neutronenster meer materie kan consumeren dan normaal en schijnt met de extreem heldere röntgenstralen.

Als de cyclotronlijn van omcirkelende elektronen is, in tegenstelling tot, dan zou de magnetische veldsterkte rond de neutronenster niet uitzonderlijk sterk zijn, en dus is het veld waarschijnlijk niet de reden dat deze sterren de Eddington-limiet overschrijden. Om het mysterie verder aan te pakken, de onderzoekers zijn van plan om meer röntgengegevens te verzamelen over de ULX in M51 en op zoek te gaan naar meer cyclotronlijnen in andere ULX's.

"De ontdekking dat deze zeer heldere objecten, lang gedacht dat het zwarte gaten waren met massa's tot 1, 000 keer die van de zon, worden aangedreven door veel minder zware neutronensterren, was een enorme wetenschappelijke verrassing, " zegt Fiona Harrison, Caltech's Benjamin M. Rosen hoogleraar natuurkunde; de Kent en Joyce Kresa Leadership Chair van de Division of Physics, Wiskunde en Sterrenkunde; en de hoofdonderzoeker van de NuSTAR-missie. "Nu krijgen we misschien stevige fysieke aanwijzingen over hoe deze kleine objecten zo machtig kunnen zijn."