Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Een kosmische snelheidscamera heeft zojuist de duizelingwekkende snelheid van neutronensterjets onthuld, een wereldprimeur

Gelijktijdige röntgen- en multiband-radiolichtcurven van 4U1728. Credit:Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07133-5

Hoe snel kan een neutronenster krachtige jets de ruimte in drijven? Het antwoord blijkt ongeveer een derde van de lichtsnelheid te zijn, zoals ons team zojuist heeft onthuld in een nieuwe studie gepubliceerd in Nature .



Energetische kosmische stralen, bekend als jets, worden overal in ons universum gezien. Ze worden gelanceerd wanneer materiaal (voornamelijk stof en gas) in de richting van een centraal object met een hoge dichtheid valt, zoals een neutronenster (een extreem dicht overblijfsel van een ooit zo massieve ster) of een zwart gat.

De jets voeren een deel van de zwaartekrachtsenergie af die vrijkomt door het invallende gas en recyclen deze op veel grotere schaal terug in de omgeving.

De krachtigste jets in het universum komen uit de grootste zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels. De energieopbrengst van deze jets kan de evolutie van een heel sterrenstelsel of zelfs een cluster van sterrenstelsels beïnvloeden. Dit maakt vliegtuigen tot een cruciaal, maar intrigerend onderdeel van ons universum.

Hoewel straalvliegtuigen gebruikelijk zijn, begrijpen we nog steeds niet volledig hoe ze worden gelanceerd. Het meten van de jets van een neutronenster heeft ons nu waardevolle informatie opgeleverd.

Straalvliegtuigen van stellaire lijken

Jets van zwarte gaten zijn over het algemeen helder en zijn goed bestudeerd. De jets van neutronensterren zijn echter doorgaans veel zwakker, en er is veel minder over bekend.

Dit levert een probleem op, omdat we veel kunnen leren door de jets te vergelijken die door verschillende hemellichamen worden gelanceerd. Neutronensterren zijn extreem dichte stellaire lijken:kosmische sintels ter grootte van een stad, maar met de massa van een ster. We kunnen ze beschouwen als enorme atoomkernen, elk zo'n 20 kilometer in doorsnee.

In tegenstelling tot zwarte gaten hebben neutronensterren zowel een vast oppervlak als een magnetisch veld, en als er gas op valt, komt er minder zwaartekracht vrij. Al deze eigenschappen zullen een effect hebben op de manier waarop hun jets worden gelanceerd, waardoor onderzoek naar neutronensterjets bijzonder waardevol is.

Een belangrijke aanwijzing voor hoe jets worden gelanceerd, is hun snelheid. Als we kunnen bepalen hoe straalsnelheden variëren met de massa of spin van de neutronenster, zou dat een krachtige test voor theoretische voorspellingen opleveren. Maar het is een enorme uitdaging om de straalsnelheden nauwkeurig genoeg te meten voor een dergelijke test.

Een kosmische flitscamera

Wanneer we snelheden op aarde meten, timen we een object tussen twee punten. Dit kan een sprinter van 100 meter zijn die over de baan rent, of een punt-tot-punt flitspaal die een auto volgt.

Ons team, onder leiding van Thomas Russell van het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysica in Palermo, heeft een nieuw experiment uitgevoerd om dit te doen voor jets van neutronensterren.

Wat deze meting in het verleden zo moeilijk heeft gemaakt, is dat jets stabiele stromen zijn. Dit betekent dat er geen eenduidig ​​startpunt is voor onze timer. Maar we konden een kortstondig signaal identificeren op röntgengolflengten dat we konden gebruiken als ons ‘startschot’.

Omdat ze zo compact zijn, kunnen neutronensterren materie ‘stelen’ van een nabijgelegen begeleidende ster. Terwijl een deel van dat gas als jets naar buiten wordt gelanceerd, valt het grootste deel uiteindelijk op de neutronenster. Naarmate het materiaal zich opstapelt, wordt het heter en dichter.

Wanneer er voldoende materiaal is opgebouwd, veroorzaakt dit een thermonucleaire explosie. Er vindt een op hol geslagen kernfusiereactie plaats, die zich snel verspreidt en de hele ster overspoelt. De fusie duurt enkele seconden tot minuten, waardoor een kortstondige uitbarsting van röntgenstraling ontstaat.

Een stap dichter bij het oplossen van een mysterie

We dachten dat deze thermonucleaire explosie de jets van de neutronenster zou verstoren. Daarom hebben we de Australia Telescope Compact Array van CSIRO gebruikt om drie dagen lang op radiogolflengten naar de jets te staren om te proberen de verstoring op te vangen. Tegelijkertijd hebben we de Integrale telescoop van de European Space Agency gebruikt om naar de röntgenstralen van het systeem te kijken.

Tot onze verbazing ontdekten we dat de jets helderder werden na elke röntgenpuls. In plaats van de jets te verstoren, leken de thermonucleaire explosies ze aan te drijven. En dit patroon werd tien keer herhaald in één neutronenstersysteem, en vervolgens opnieuw in een tweede systeem.

Nucleaire explosies op een neutronenster voeden zijn jets. Credit:Danielle Futselaar en Nathalie Degenaar, Anton Pannekoek Instituut, Universiteit van Amsterdam, CC BY-SA

We kunnen dit verrassende resultaat verklaren als de röntgenpuls ervoor zorgt dat gas dat rond de neutronenster wervelt, sneller naar binnen valt. Dit levert op zijn beurt meer energie en materiaal op dat naar de jets wordt geleid.

Het allerbelangrijkste is echter dat we de röntgenuitbarsting kunnen gebruiken om de lanceringstijd van de jets aan te geven. We hebben getimed hoe lang het duurde voordat ze naar buiten gingen, waar ze zichtbaar werden op twee verschillende radiogolflengten. Deze start- en eindpunten leverden ons onze kosmische flitscamera op.

Interessant genoeg lag de straalsnelheid die we maten dicht bij de ‘ontsnappingssnelheid’ van een neutronenster. Op aarde bedraagt ​​deze ontsnappingssnelheid 11,2 kilometer per seconde:wat raketten moeten bereiken om zich los te maken van de zwaartekracht van de aarde. Voor een neutronenster ligt die waarde rond de helft van de lichtsnelheid.

Ons werk heeft een nieuwe techniek geïntroduceerd voor het meten van de straalsnelheden van neutronensterren. Onze volgende stappen zullen zijn om te zien hoe de straalsnelheid verandert voor neutronensterren met verschillende massa's en rotatiesnelheden. Dat zal ons in staat stellen theoretische modellen rechtstreeks te testen, waardoor we een stap dichter bij het uitzoeken komen hoe zulke krachtige kosmische straaljagers worden gelanceerd.

Meer informatie: Thomas D. Russell et al, Thermonucleaire explosies op neutronensterren onthullen de snelheid van hun jets, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07133-5

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Kunstmatige neurale netwerken kunnen het beheer van natuurhistorische collecties stimuleren
  2. Dodelijke vogelgriep keert eerder terug naar Midwest dan verwacht
  3. Functies van het bloedsomloopstelsel
  4. Hoe lucide dromen werkt
  5. Van goot naar darm:hoe antimicrobieel resistente microben van de omgeving naar de mens reizen
  6. Biodiversiteit in de marges:Het samenvoegen van landbouwgronden heeft invloed op de natuurlijke plaagbestrijding
  7. Onderzoekers vinden neuronale paden bij ratten die sociale verzorging stimuleren
  8. Hibernerende ribosomen helpen bacteriën te overleven
  9. Wetenschappers passen CRISPR aan om diabetes epigenetisch te behandelen, nierziekte, spierdystrofie

Wetenschap