En fortælling om to pulsarer:Plumes tilbyder geometriundervisning til astronomer

Som kosmiske fyrtårne, der fejer universet med energiudbrud, pulsarer har fascineret og forvirret astronomer, siden de først blev opdaget for 50 år siden. I to undersøgelser, internationale hold af astronomer foreslår, at nylige billeder fra NASAs Chandra X-ray Observatory af to pulsarer—Geminga og B0355+54—kan hjælpe med at kaste lys over pulsarernes karakteristiske emissionssignaturer, samt deres ofte forvirrende geometri.

Pulsarer er en type neutronstjerne, der fødes i supernovaeksplosioner, når massive stjerner kollapser. Opdaget oprindeligt af fyr-lignende stråler af radioemission, nyere forskning har fundet ud af, at energiske pulsarer også producerer stråler af højenergi gammastråler.

Interessant nok, bjælkerne matcher sjældent, sagde Bettina Posselt, seniorforsker i astronomi og astrofysik, Penn State. Formerne af observerede radio- og gammastråleimpulser er ofte ret forskellige, og nogle af genstandene viser kun den ene type impuls eller den anden. Disse forskelle har skabt debat om pulsarmodellen.

"Det er ikke helt forstået, hvorfor der er variationer mellem forskellige pulsarer, " sagde Posselt. "En af hovedideerne her er, at pulsforskelle har meget at gøre med geometri - og det afhænger også af, hvordan pulsarens spin og magnetiske akser er orienteret i forhold til sigtelinjen, om du ser bestemte pulsarer eller ej. , samt hvordan du ser dem."

Chandras billeder giver astronomerne et nærmere end nogensinde før se på den karakteristiske geometri af de ladede partikelvinde, der udstråler i røntgenstråler og andre bølgelængder fra objekterne, ifølge Posselt. Pulsarer roterer rytmisk, mens de raketter gennem rummet med hastigheder, der når hundredvis af kilometer i sekundet. Pulsarvindtåger (PWN) dannes, når de energiske partikler, der strømmer fra pulsarer, skyder langs stjernernes magnetfelter, danner tori - donutformede ringe - omkring pulsarens ækvatorialplan, og stråle langs spinaksen, Fejer ofte tilbage i lange haler, da pulsarerne hurtigt skærer gennem det interstellare medium.

"Dette er et af de bedste resultater af vores større undersøgelse af pulsarvindtåger, " sagde Roger W. Romani, professor i fysik ved Stanford University og hovedefterforsker af Chandra PWN-projektet. "Ved at gøre 3D-strukturen af ​​disse vinde synlig, vi har vist, hvordan man kan spore tilbage til det plasma, der injiceres af pulsaren i midten. Chandras fantastiske røntgenskarphed var afgørende for denne undersøgelse, så vi er glade for, at det var muligt at få de dybe eksponeringer, der gjorde disse svage strukturer synlige."

En spektakulær PWN ses omkring Geminga-pulsaren. Geminga - en af ​​de nærmeste pulsarer kun 800 lysår væk fra Jorden - har tre usædvanlige haler, sagde Posselt. Strømmen af ​​partikler, der spyr ud af de påståede poler af Geminga - eller laterale haler - strækker sig ud i mere end et halvt lysår, længere end 1, 000 gange afstanden mellem Solen og Pluto. En anden kortere hale udgår også fra pulsaren.

Astronomerne sagde, at et meget anderledes PWN-billede ses på røntgenbilledet af en anden pulsar kaldet B0355+54, hvilket er omkring 3, 300 lysår væk fra Jorden. Halen på denne pulsar har en emissionshætte, efterfulgt af en smal dobbelthale, der strækker sig næsten fem lysår væk fra stjernen.

Mens Geminga viser pulser i gammastrålespektret, men er radio stille, B0355+54 er en af ​​de mest lysstærke radiopulsarer, men formår ikke at vise gammastråler.

"Halerne synes at fortælle os, hvorfor det er, sagde Posselt, tilføjer, at pulsarernes spinakse og magnetiske akseorienteringer påvirker, hvilke emissioner der ses på Jorden.

Ifølge Posselt, Geminga kan have magnetiske poler ret tæt på toppen og bunden af ​​objektet, og næsten justerede spin-stænger, meget som Jorden. En af de magnetiske poler i B0355+54 kunne vende direkte mod Jorden. Fordi radioemissionen forekommer nær stedet for de magnetiske poler, radiobølgerne kan pege i retning af jetflyene, hun sagde. gammastråling, på den anden side, produceres i større højder i et større område, tillader de respektive pulser at feje større områder af himlen.

"For Geminga, vi ser de lyse gammastrålepulser og kanten af ​​pulsarvindtågen torus, men radiostrålerne nær jetflyene peger ud til siderne og forbliver usete, sagde Posselt.

De stærkt bøjede laterale haler giver astronomerne ledetråde til pulsarens geometri, hvilket kunne sammenlignes med enten jet-kontrails, der svæver ud i rummet, eller til et buechok svarende til den chokbølge, der skabes af en kugle, når den skydes gennem luften.

Oleg Kargaltsev, adjunkt i fysik, George Washington University, der arbejdede på undersøgelsen på B0355+54, sagde, at orienteringen af ​​B0355+54 spiller en rolle i, hvordan astronomer ser pulsaren, såvel. Undersøgelsen er tilgængelig online i arXiv.

"For B0355+54, et jetfly peger næsten mod os, så vi registrerer de lyse radioimpulser, mens det meste af gammastrålingen er rettet mod himlens plan og savner Jorden, " sagde Kargaltsev. "Dette indebærer, at pulsarens spinakseretning er tæt på vores sigtelinje, og at pulsaren bevæger sig næsten vinkelret på sin spinakse."

Noel Klingler, en færdiguddannet forskningsassistent i fysik, George Washington University, og hovedforfatter af B0355+54 papiret, tilføjede, at vinklerne mellem de tre vektorer - spinaksen, sigtelinjen, og hastigheden - er forskellige for forskellige pulsarer, dermed påvirke udseendet af deres tåger.

"I særdeleshed, det kan være vanskeligt at detektere en PWN fra en pulsar, der bevæger sig tæt på sigtelinjen og har en lille vinkel mellem spinaksen og vores sigtelinje, sagde Klingler.

I bow-shock-fortolkningen af ​​Geminga røntgendata, Gemingas to lange haler og deres usædvanlige spektrum kan tyde på, at partiklerne accelereres til næsten lysets hastighed gennem en proces kaldet Fermi-acceleration. Fermi-accelerationen finder sted i skæringspunktet mellem en pulsarvind og det interstellare materiale, ifølge forskerne, der rapporterer deres resultater om Geminga i det aktuelle nummer af Astrofysisk tidsskrift .

Selvom der stadig er forskellige fortolkninger på bordet for Gemingas geometri, Posselt sagde, at Chandras billeder af pulsaren hjælper astrofysikere med at bruge pulsarer som partikelfysiske laboratorier. At studere objekterne giver astrofysikere en chance for at undersøge partikelfysik under forhold, som ville være umulige at replikere i en partikelaccelerator på jorden.

"I begge scenarier, Geminga giver spændende nye begrænsninger for accelerationsfysikken i pulsarvindtåger og deres interaktion med det omgivende interstellare stof, " hun sagde.