NICER mission finder en røntgenpulsar i en rekordhurtig bane

Forskere, der analyserer de første data fra Neutron-stjernens Interior Composition Explorer (NICER)-mission, har fundet to stjerner, der kredser om hinanden hvert 38. minut - omtrent den tid, det tager at streame et tv-drama. En af stjernerne i systemet, kaldet IGR J17062–6143 (forkortet J17062), er en hurtigt roterende, supertæt stjerne kaldet en pulsar. Opdagelsen giver stjerneparret rekorden for den kortest kendte omløbsperiode for en bestemt klasse af pulsar binært system.

Dataene fra NICER viser også, at J17062's stjerner kun er omkring 186, 000 miles (300, 000 kilometer) fra hinanden, mindre end afstanden mellem Jorden og Månen. Baseret på parrets halsbrækkende omløbsperiode og adskillelse, forskere involveret i en ny undersøgelse af systemet mener, at den anden stjerne er en brintfattig hvid dværg.

"Det er ikke muligt for en brintrig stjerne, som vores sol, at være pulsarens følgesvend, " sagde Tod Strohmayer, en astrofysiker ved Goddard og hovedforfatter på papiret. "Du kan ikke passe en stjerne som den ind i en bane så lille."

En tidligere 20-minutters observation af Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) i 2008 var kun i stand til at sætte en nedre grænse for J17062's omløbsperiode. PUNDERLIGERE, som blev installeret ombord på den internationale rumstation i juni sidste år, har været i stand til at observere systemet i meget længere perioder. I august, instrumentet fokuserede på J17062 i mere end syv timer over 5,3 dage. Ved at kombinere yderligere observationer i oktober og november, videnskabsholdet var i stand til at bekræfte den rekordsættende omløbsperiode for et binært system, der indeholder det, astronomer kalder en tiltagende millisekund røntgenpulsar (AMXP).

Når en massiv stjerne går til supernova, dens kerne kollapser til et sort hul eller en neutronstjerne, som er lille og supertæt - omkring størrelsen af ​​en by, men indeholder mere masse end Solen. Neutronstjerner er så varme, at lyset, de udstråler, passerer rødglødende, hvid varm, UV-varm og kommer ind i røntgendelen af ​​det elektromagnetiske spektrum. En pulsar er en hurtigt roterende neutronstjerne.

2008 RXTE-observationen af ​​J17062 fandt røntgenimpulser, der gentog sig 163 gange i sekundet. Disse impulser markerer placeringen af ​​varme punkter omkring pulsarens magnetiske poler, så de giver astronomerne mulighed for at bestemme, hvor hurtigt den drejer. J17062's pulsar roterer omkring 9, 800 omdrejninger i minuttet.

Hot spots dannes, når en neutronstjernes intense gravitationsfelt trækker materiale væk fra en stjernekammerat - i J17062, fra den hvide dværg - hvor den samler sig til en tilvækstskive. Stof i disken spiraler ned, til sidst at komme op på overfladen. Neutronstjerner har stærke magnetfelter, så materialet lander på stjernens overflade ujævnt, bevæger sig langs magnetfeltet til de magnetiske poler, hvor det skaber hot spots.

Den konstante spærreild af indfaldende gas får tiltagende pulsarer til at spinde hurtigere. Mens de snurrer, de varme punkter kommer ind og ud af synet af røntgeninstrumenter som NICER, som registrerer udsvingene. Nogle pulsarer roterer mere end 700 gange i sekundet, sammenlignelig med knivene på en køkkenblender. Røntgenudsving fra pulsarer er så forudsigelige, at NICERs ledsagende eksperiment, Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT), har allerede vist, at de kan tjene som fyrtårne ​​for autonom navigation med fremtidige rumfartøjer.

Over tid, materiale fra donorstjernen opbygges på neutronstjernens overflade. Når trykket i dette lag er opbygget til det punkt, hvor dets atomer smelter sammen, der opstår en løbsk termonuklear reaktion, frigivelse af energiækvivalenten til 100 15-megaton bomber, der eksploderer over hver kvadratcentimeter, forklarede Strohmayer. Røntgenbilleder fra sådanne udbrud kan også opfanges af NICER, selvom man endnu ikke er set fra J17062.

Forskerne var i stand til at fastslå, at J17062s stjerner kredser om hinanden i en cirkulær bane, hvilket er fælles for AMXP'er. Den hvide dværg donorstjerne er en "letvægts, " kun omkring 1,5 procent af vores sols masse. Pulsaren er meget tungere, omkring 1,4 solmasser, hvilket betyder, at stjernerne kredser et punkt omkring 1, 900 miles (3, 000 km) fra pulsaren. Strohmayer sagde, at det næsten er, som om donorstjernen kredser om en stationær pulsar, men NICER er følsom nok til at detektere en lille udsving i pulsarens røntgenstråling på grund af slæbet fra donorstjernen.

"Afstanden mellem os og pulsaren er ikke konstant, " sagde Strohmayer. "Det varierer med denne orbitale bevægelse. Når pulsaren er tættere på, røntgenstrålingen tager lidt kortere tid at nå os, end når den er længere væk. Denne tidsforsinkelse er lille, kun omkring 8 millisekunder for J17062's kredsløb, men det er godt inden for mulighederne for en følsom pulsarmaskine som NICER."

Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort 9. maj i The Astrofysiske tidsskriftsbreve .

NICERs mission er at levere højpræcisionsmålinger for yderligere at studere neutronstjernernes fysik og adfærd. Andre resultater fra første runde fra instrumentet har givet detaljer om et objekts termonukleare udbrud og undersøgt, hvad der sker med tilvækstskiven under disse begivenheder.

"Neutronstjerner viser sig at være helt unikke kernefysiske laboratorier, fra et jordisk synspunkt, " sagde Zaven Arzoumanian, en Goddard-astrofysiker og ledende videnskabsmand for NICER. "Vi kan ikke genskabe forholdene på neutronstjerner nogen steder i vores solsystem. Et af NICERs vigtigste mål er at studere subatomær fysik, som ikke er tilgængelig andre steder."

NICER er en Astrophysics Mission of Opportunity inden for NASAs Explorer-program, som giver hyppige flyvemuligheder for videnskabelige undersøgelser i verdensklasse fra rummet ved hjælp af innovative, strømlinet, og effektive ledelsestilgange inden for heliofysik og astrofysik videnskabsområderne. NASA's Space Technology Mission Directorate støtter SEXTANT-komponenten af ​​missionen, demonstrerer pulsar-baseret rumfartøjsnavigation.