Wetenschappers hebben iets verbazingwekkends ontdekt.

In een cluster van enkele van de meest massieve en lichtgevende sterren in onze melkweg, ongeveer 5, 000 lichtjaar van de aarde, astronomen ontdekten dat deeltjes werden versneld door een snel roterende neutronenster terwijl deze de massieve ster passeerde waar hij slechts eens in de 50 jaar omheen draait.

De ontdekking is uiterst zeldzaam, volgens astrofysicus Jamie Holder van de Universiteit van Delaware en promovendus Tyler Williamson, die deel uitmaakten van het internationale team dat het voorval documenteerde.

Holder noemde dit excentrieke paar door zwaartekracht verbonden sterren een "gamma-ray binair systeem" en vergeleek de once-in-a-lifetime gebeurtenis met de komst van Halley's komeet of de Amerikaanse zonsverduistering van vorig jaar.

Massieve sterren behoren tot de helderste sterren in onze melkweg. Neutronensterren zijn extreem dichte en energetische sterren die ontstaan ​​wanneer een massieve ster explodeert.

Dit dubbelstersysteem is een massieve ster waar een neutronenster omheen draait. Van de 100 miljard sterren in onze melkweg, minder dan 10 zijn bekend als dit type systeem.

Nog minder—slechts twee systemen, waaronder deze - waarvan bekend is dat ze een geïdentificeerde neutronenster hebben, of pulsar, die pulsen van radiogolven uitzendt die wetenschappers kunnen meten. Dit is belangrijk omdat het astronomen heel nauwkeurig vertelt hoeveel energie er beschikbaar is om deeltjes te versnellen, iets waar wetenschappers weinig van weten.

"Je zou geen beter natuurlijk laboratorium kunnen vragen om de versnelling van deeltjes te bestuderen in een voortdurend veranderende omgeving - met energieën die veel verder gaan dan alles wat we op aarde kunnen produceren, " zei Holder, een professor in UD's Department of Physics and Astronomy.

Het project werd geleid door een team van wetenschappers, inclusief Holder en Williamson, met behulp van de VERITAS-telescooparray op het Fred Lawrence Whipple Observatory in Arizona, in samenwerking met wetenschappers die de MAGIC-telescopen gebruiken van het Roque de los Muchachos-observatorium op La Palma, een eiland van de Canarische Eilanden, Spanje. (VERITAS staat voor Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System en MAGIC staat voor Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov-telescopen.)

De onderzoekers rapporteerden onlangs hun bevindingen in de Astrofysische dagboekbrieven.

Hopen op vuurwerk

De natuurlijke vraag voor veel geesten, is waarom geven wetenschappers om versnelde deeltjes?

"Omdat onze melkweg er vol van is. We noemen ze kosmische stralen en ze dragen evenveel energie als het licht van alle sterren, ’ zei Houder.

Astronomen ontdekten meer dan 100 jaar geleden dat er versnelde deeltjes bestaan, maar hoe of waar deze deeltjes versnellen, blijft een mysterie. Pulsars behoren tot de meest extreme objecten in het universum en ze hebben magnetische velden om zich heen die miljoenen keren sterker zijn dan alles wat wetenschappers op aarde zouden kunnen bouwen. Wanneer een pulsar in de buurt van een massieve ster stof of gas tegenkomt, de deeltjes in de buurt versnellen - tot bijna de lichtsnelheid - en botsen met wat zich om hen heen bevindt. Het resultaat is een bundel hoogenergetisch licht, gammastraling of gammastraling genoemd.

Geavanceerde telescopen, zoals die van VERITAS en MAGIC, kunnen deze gammastralen detecteren omdat ze een blauwe lichtflits uitzenden wanneer ze de atmosfeer van de aarde bereiken. Terwijl onze ogen deze lichtflitsen niet kunnen zien omdat ze te snel zijn, slechts nanoseconden lang, deze telescopen kunnen.

Een unieke doctoraatservaring

Astronomen ontdekten voor het eerst gammastraling afkomstig van de pulsar in dit ongewone paar sterren in 2008. Ongeveer zo groot als Newark, Delaware, de pulsar draait als het hulpstuk op een keukenmixer, bij elke rotatie kleine pulsen van gammastralen en radiogolven uitzenden.

Door deze radiopulsfrequenties te meten, astronomen waren in staat om te vertellen hoe snel de pulsar bewoog en precies te berekenen wanneer hij het dichtst bij de massieve ster zou zijn waar hij omheen draaide - november. 13, 2017. Het is een reis die 50 jaar duurde.

De teams VERITAS en MAGIC begonnen in september 2016 de nachtelijke hemel te observeren en de baan van de pulsar te volgen. ze wisten niet eens zeker of ze iets zouden zien. Maar in september 2017 begonnen de astronomen een snelle toename te detecteren in het aantal gammastralen dat de top van de aardatmosfeer bereikt.

Terwijl ze de gegevens van de VERITAS-telescopen in de gaten hielden, Holder en Williamson realiseerden zich dat de pulsar elke dag iets anders deed.

"Ik zou elke ochtend wakker worden en kijken of we nieuwe gegevens hadden, analyseer het dan zo snel als ik kon, omdat er tijden waren dat het aantal gammastralen dat we zagen snel veranderde gedurende een dag of twee, " zei Williamson, een vierdejaars promovendus.

Tijdens de dichtste nadering tussen de ster en de pulsar in november 2017, Williamson merkte op dat de VERITAS-telescopen 's nachts tien keer zoveel gammastraling hadden geregistreerd als een paar dagen eerder.

"Ik heb alles dubbel gecontroleerd voordat ik de gegevens naar onze medewerkers stuurde, ' zei Williamson. 'Toen een van onze partners, Ralph Bird aan de UCLA, bevestigde dat hij dezelfde resultaten had gekregen; dat was spannend."

Nog interessanter:deze observatiegegevens kwamen niet overeen met wat voorspellende modellen hadden voorspeld.

In het algemeen, Houder zei, bestaande modellen voorspelden dat toen de pulsar de massieve ster naderde, hij in een baan om de aarde draaide, het aantal geproduceerde gammastralen zou langzaam versnellen, enige volatiliteit ervaren en dan langzaam in verval raken.

"Maar onze geregistreerde gegevens toonden in plaats daarvan een enorme piek in het aantal gammastralen, Holder zei. "Dit vertelt ons dat we de modellen van hoe deze deeltjesversnelling gebeurt, moeten herzien."

Bovendien, volgens houder, terwijl astrofysici verwachtten dat de Fermi-gammastralingstelescoop van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) deze gammastralen zou opnemen, het deed het niet. Holder zei dat de reden hiervoor onduidelijk is, maar dat maakt deel uit van wat de VERITAS-resultaten zo interessant maakt.

Astrofysici willen weten welke deeltjes worden versneld, en welke processen hen tot deze extreme snelheden duwen, om meer over het heelal te begrijpen. Holder zei dat hoewel binaire gammastralingssystemen waarschijnlijk een groot deel van de deeltjes in onze melkweg niet versnellen, ze stellen wetenschappers in staat om het type versnellingsmechanismen te bestuderen dat ze zou kunnen produceren.

Een veelbelovende toekomst in kaart brengen

Astronomen zullen dit binaire systeem pas in 2067 weer aan het werk kunnen zien, wanneer de twee sterren weer dicht bij elkaar staan. Dan, Williamson grapte dat hij misschien wel een emeritus-professor zou kunnen zijn met tijd over.

Momenteel, Williamson maakt zich geen zorgen dat er geen dingen meer te doen zijn. Hij bracht eerder dit jaar drie maanden door in het observatorium in Arizona, metingen doen, het uitvoeren van hardware-onderhoud en het bedenken van een afstandsbediening waarmee de onderzoekers de camera's van de telescoop kunnen inschakelen vanaf een computer in een controlekamer.

"Het was een geweldige kans om hands-on tijd met de telescopen door te brengen en het instrument te leren kennen, ' zei Williamson.

Vooruit gaan, hij zal de rest van zijn doctoraatsstudies besteden aan het doorzoeken en analyseren van de bijna 175 uur aan gegevens die de VERITAS-telescopen in 2016 en 2017 hebben verzameld.

"Tyler is, zonder twijfel, de gelukkigste afgestudeerde student die ik ooit heb ontmoet omdat deze gebeurtenis die maar eens in de 50 jaar plaatsvindt - een van de meest opwindende dingen die we in tien jaar met onze telescopen hebben gezien - plaatsvond midden in zijn doctoraatswerk, ’ zei Houder.