NASA's Neutronenster Interior Composition Explorer (NICER) telescoop op het internationale ruimtestation ISS ontdekte een plotselinge piek van röntgenstralen om ongeveer 22:04 uur. EDT op 20 augustus. De uitbarsting werd veroorzaakt door een enorme thermonucleaire flits op het oppervlak van een pulsar, de verpletterde overblijfselen van een ster die lang geleden als een supernova explodeerde.

De röntgenstraal, de helderste die NICER tot nu toe heeft gezien, kwam van een object met de naam SAX J1808.4-3658, of kortweg J1808. De waarnemingen onthullen veel fenomenen die nog nooit samen in een enkele burst zijn gezien. In aanvulling, de wegzakkende vuurbal lichtte weer even op om redenen die astronomen nog niet kunnen verklaren.

"Deze uitbarsting was uitstekend, " zei hoofdonderzoeker Peter Bult, een astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en de Universiteit van Maryland, Collegepark. "We zien een verandering in helderheid in twee stappen, waarvan we denken dat het wordt veroorzaakt door het uitwerpen van afzonderlijke lagen van het pulsar-oppervlak, en andere functies die ons zullen helpen de fysica van deze krachtige gebeurtenissen te ontcijferen."

De explosie, die astronomen classificeren als een Type I röntgenuitbarsting, in 20 seconden evenveel energie vrijgegeven als de zon in bijna 10 dagen. Het detail dat NICER op deze recordbrekende uitbarsting heeft vastgelegd, zal astronomen helpen hun begrip te verfijnen van de fysieke processen die de thermonucleaire opflakkeringen ervan en andere barstende pulsars veroorzaken.

Een pulsar is een soort neutronenster, de compacte kern die achterblijft wanneer een massieve ster zonder brandstof komt te zitten, bezwijkt onder zijn eigen gewicht, en explodeert. Pulsars kunnen snel ronddraaien en röntgenstraling uitzendende hotspots aan hun magnetische polen bevatten. Terwijl het object draait, het veegt de hotspots over onze gezichtslijn, produceren regelmatige pulsen van hoogenergetische straling.

J1808 bevindt zich ongeveer 11, 000 lichtjaar verwijderd in het sterrenbeeld Boogschutter. Het draait met een duizelingwekkende 401 omwentelingen per seconde, en is een lid van een binair systeem. Zijn metgezel is een bruine dwerg, een object dat groter is dan een gigantische planeet en toch te klein is om een ​​ster te zijn. Een gestage stroom waterstofgas stroomt van de begeleider naar de neutronenster, en het hoopt zich op in een enorme opslagstructuur die een accretieschijf wordt genoemd.

Gas in accretieschijven beweegt niet gemakkelijk naar binnen. Maar om de zoveel jaar de schijven rond pulsars zoals J1808 worden zo dicht dat een groot deel van het gas wordt geïoniseerd, of ontdaan van zijn elektronen. Dit maakt het moeilijker voor licht om door de schijf te bewegen. De opgesloten energie begint een op hol geslagen proces van verwarming en ionisatie dat nog meer energie vasthoudt. Het gas wordt beter bestand tegen stroming en begint naar binnen te spiraliseren, uiteindelijk op de pulsar vallen.

Waterstof die op het oppervlak regent, vormt een hete, steeds dieper wordende mondiale 'zee'. Aan de basis van deze laag, temperaturen en drukken stijgen totdat waterstofkernen versmelten tot heliumkernen, die energie produceert - een proces dat aan het werk is in de kern van onze zon.

"Het helium bezinkt en vormt een eigen laag, " zei Goddard's Zaven Arzoumanian, de plaatsvervangend hoofdonderzoeker voor NICER en een co-auteur van het papier. "Als de heliumlaag een paar meter diep is, de omstandigheden laten heliumkernen toe om te fuseren tot koolstof. Dan barst het helium explosief uit en ontketent een thermonucleaire vuurbal over het hele pulsaroppervlak."

Astronomen gebruiken een concept dat de Eddington-limiet wordt genoemd - genoemd naar de Engelse astrofysicus Sir Arthur Eddington - om de maximale stralingsintensiteit te beschrijven die een ster kan hebben voordat die straling de ster doet uitdijen. Dit punt is sterk afhankelijk van de samenstelling van het materiaal dat boven de emissiebron ligt.

"Onze studie exploiteert dit al lang bestaande concept op een nieuwe manier, " zei co-auteur Deepto Chakrabarty, een professor in de natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. "We zien blijkbaar de Eddington-limiet voor twee verschillende composities in dezelfde röntgenstraal. Dit is een zeer krachtige en directe manier om de nucleaire verbrandingsreacties te volgen die aan de gebeurtenis ten grondslag liggen."

Toen de uitbarsting begon, NICER-gegevens tonen aan dat de helderheid van de röntgenstraling bijna een seconde afvlakt voordat hij weer in een langzamer tempo toenam. De onderzoekers interpreteren deze "stall" als het moment waarop de energie van de explosie voldoende is opgebouwd om de waterstoflaag van de pulsar de ruimte in te blazen.

De vuurbal bleef nog twee seconden bouwen en bereikte toen zijn hoogtepunt, het afblazen van de massievere heliumlaag. Het helium breidde zich sneller uit, de waterstoflaag inhaalde voordat het kon verdwijnen, en dan vertraagd, stopte en ging weer op het oppervlak van de pulsar zitten. Na deze fase, de pulsar lichtte weer even op met ongeveer 20 procent om redenen die het team nog niet begrijpt.

Tijdens de recente activiteitsronde van J1808, NICER ontdekte een andere, veel zwakkere röntgenuitbarsting die geen van de belangrijkste kenmerken vertoonde die werden waargenomen tijdens het evenement van 20 augustus.

Naast het detecteren van de uitzetting van verschillende lagen, NICERE-waarnemingen van de ontploffing onthullen röntgenstralen die worden gereflecteerd door de accretieschijf en registreren het flikkeren van "burst-oscillaties" - röntgensignalen die stijgen en dalen met de spinfrequentie van de pulsar, maar die optreden op andere oppervlaktelocaties dan de verantwoordelijke hotspots voor zijn normale röntgenpulsen.

Een paper waarin de bevindingen worden beschreven, is gepubliceerd door The Astrofysische journaalbrieven .