Een team van onderzoekers onder leiding van leden van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) heeft eerder verzamelde gegevens geanalyseerd om de ware aard van een compact object af te leiden - gevonden als een roterende magnetar, een type neutronenster met een extreem sterk magnetisch veld - in een baan om LS 5039, het helderste binaire systeem voor gammastraling in de Melkweg.

Waaronder voormalig afgestudeerde student Hiroki Yoneda, Senior wetenschapper Kazuo Makishima en hoofdonderzoeker Tadayuki Takahashi bij de Kavli IMPU, het team suggereert ook dat het deeltjesversnellingsproces waarvan bekend is dat het plaatsvindt in LS 5039, wordt veroorzaakt door interacties tussen de dichte stellaire winden van zijn primaire massieve ster, en ultrasterke magnetische velden van de roterende magnetar.

Gamma-ray binaries zijn een systeem van massieve, hoogenergetische sterren en compacte sterren. Ze zijn pas onlangs ontdekt, in 2004, toen waarnemingen van zeer hoogenergetische gammastraling in de teraelectronvolt (TeV) band vanuit voldoende grote delen van de lucht mogelijk werden. Wanneer bekeken met zichtbaar licht, dubbelsterren van gammastraling verschijnen als heldere blauwwitte sterren, en zijn niet te onderscheiden van enig ander binair systeem dat een massieve ster herbergt. Echter, wanneer waargenomen met röntgenstralen en gammastralen, hun eigenschappen zijn dramatisch verschillend van die van andere binaire bestanden. In deze energiebanden, gewone binaire systemen zijn volledig onzichtbaar, maar binaire gammastraling produceert intense niet-thermische emissie, en hun intensiteit lijkt toe en af ​​te nemen volgens hun omlooptijden van enkele dagen tot meerdere jaren.

Toen de binaire gammastraling eenmaal was vastgesteld als een nieuwe astrofysische klasse, al snel werd erkend dat er een uiterst efficiënt versnellingsmechanisme in moest werken. Terwijl de versnelling van TeV-deeltjes tientallen jaren in supernovaresten vereist, die bekende kosmische versnellers zijn, binaire gammastraling verhoogt de elektronenenergie in slechts tientallen seconden tot meer dan 1 TeV. Gammastraling binaries kunnen dus worden beschouwd als een van de meest efficiënte deeltjesversnellers in het heelal.

In aanvulling, Van sommige binaire gammastralen is bekend dat ze sterke gammastralen uitzenden met energieën van enkele megaelektronvolt (MeV). Gammastraling in deze band is momenteel moeilijk waarneembaar; ze werden gedetecteerd van slechts ongeveer 30 hemellichamen aan de hele hemel. Maar het feit dat dergelijke dubbelsterren sterke straling uitzenden, zelfs in deze energieband, draagt ​​enorm bij aan het mysterie dat hen omringt, en duidt op een uiterst effectief deeltjesversnellingsproces dat zich binnen hen afspeelt.

Tot dusver zijn er ongeveer 10 binaries voor gammastraling gevonden in de Melkweg, vergeleken met meer dan 300 dubbelsterren van röntgenstraling waarvan bekend is dat ze bestaan. Waarom gammastraling zo zeldzaam is, is onbekend, en, inderdaad, wat de ware aard van hun versnellingsmechanisme is, is een mysterie geweest - tot nu toe.

Door eerdere onderzoeken, het was al duidelijk dat een dubbelster van gammastraling over het algemeen bestaat uit een massieve primaire ster die 20-30 keer de massa van de zon weegt, en een begeleidende ster die een compacte ster moet zijn, maar het was niet duidelijk vaak, of de compacte ster een zwart gat of een neutronenster is. Het onderzoeksteam begon hun poging door uit te zoeken wat in het algemeen het geval is.

Een van de meest directe bewijzen voor de aanwezigheid van een neutronenster is de detectie van periodieke snelle pulsaties, die verband houden met de rotatie van de neutronenster. Detectie van een dergelijke pulsatie door een binaire gammastraling doet vrijwel ongetwijfeld het scenario van een zwart gat terzijde.

In dit project, het team concentreerde zich op LS 5039, die in 2005 werd ontdekt, en behoudt nog steeds zijn positie als de helderste binaire gammastraling in het röntgen- en gammastralingsbereik. Inderdaad, deze binaire gammastraling werd verondersteld een neutronenster te bevatten vanwege zijn stabiele röntgen- en TeV-gammastraling. Echter, tot nu, pogingen om dergelijke pulsen te detecteren waren uitgevoerd met radiogolven en zachte röntgenstralen - en omdat radiogolven en zachte röntgenstralen worden beïnvloed door de sterwinden van de primaire ster, detectie van dergelijke periodieke pulsen was niet succesvol geweest.

Deze keer, Voor de eerste keer, het team concentreerde zich op de harde röntgenband (> 10 keV) en observatiegegevens van LS 5039 verzameld door de harde röntgendetector (HXD) aan boord van de ruimtetelescopen Suzaku (tussen 9 en 15 september, 2007) en NuSTAR (tussen 1 en 5 september, 2016) - inderdaad, de zesdaagse Suzaku-observatieperiode was de langste tot nu toe met behulp van harde röntgenstralen.

Beide observaties, terwijl ze negen jaar van elkaar gescheiden zijn, leverde het bewijs van een neutronenster in de kern van LS 5039:het periodieke signaal van Suzaku met een periode van ongeveer 9 seconden. De kans dat dit signaal voortkomt uit statistische fluctuaties is slechts 0,1 procent. NuSTAR toonde ook een zeer vergelijkbaar pulssignaal, hoewel de puls significantie lager was - de NuSTAR-gegevens, bijvoorbeeld, was slechts voorlopig. Door deze resultaten te combineren, er werd ook geconcludeerd dat de spinperiode elk jaar met 0,001 s toeneemt.

Op basis van de afgeleide spinperiode en de snelheid van zijn toename, het team sloot de rotatie-aangedreven en accretie-aangedreven scenario's uit, en ontdekte dat de magnetische energie van de neutronenster de enige energiebron is die LS 5039 kan aandrijven. Het vereiste magnetische veld bereikt 10 ¹¹ T, dat is 3 orden van grootte hoger dan die van typische neutronensterren. Deze waarde wordt gevonden bij zogenaamde magnetars, een subklasse van neutronensterren die zo'n extreem sterk magnetisch veld hebben. De pulsperiode van 9 seconden is typisch voor magnetars, en dit sterke magnetische veld voorkomt dat de sterrenwind van de primaire ster wordt gevangen door een neutronenster, wat kan verklaren waarom LS 5039 geen eigenschappen vertoont die vergelijkbaar zijn met röntgenpulsars (röntgenpulsars komen meestal voor in binaire röntgensystemen, waar de stellaire winden worden opgevangen door zijn begeleidende ster).

interessant, de 30 magnetars die tot nu toe zijn gevonden, zijn allemaal gevonden als geïsoleerde sterren, dus hun bestaan ​​in binaire gammastraling werd niet als een mainstream idee beschouwd. Naast deze nieuwe hypothese, het team suggereert een bron die de niet-thermische emissie in LS 5039 aandrijft - ze stellen voor dat de emissie wordt veroorzaakt door een interactie tussen de magnetische velden van de magnetar en dichte stellaire winden. Inderdaad, hun berekeningen suggereren dat gammastraling met energieën van meerdere megaelektronvolts, wat onduidelijk was, kunnen sterk worden uitgezonden als ze worden geproduceerd in een gebied met een extreem sterk magnetisch veld, dicht bij een magnetar.

Deze resultaten lossen mogelijk het mysterie op over de aard van het compacte object in LS 5039, en het onderliggende mechanisme dat het binaire systeem aandrijft. Echter, verdere observaties en verfijning van hun onderzoek is nodig om nieuw licht te werpen op hun bevindingen.