Pas på kløften – Rapid Burster-adfærd forklaret

Forskere, der observerer en nysgerrig neutronstjerne i et binært system kendt som 'Rapid Burster', kan have løst et fyrre år gammelt mysterium omkring dens forvirrende røntgenudbrud. De opdagede, at dets magnetfelt skaber et hul omkring stjernen, i vid udstrækning forhindrer den i at spise af stof fra sin stjernekammerat. Gas opbygges indtil, under visse betingelser, den rammer neutronstjernen på én gang, producerer intense glimt af røntgenstråler. Opdagelsen blev gjort med rumteleskoper inklusive ESA's XMM-Newton.

Opdaget i 1970'erne, Rapid Burster er et binært system, der består af en stjerne med lav masse i sin primære alder og en neutronstjerne – den kompakte rest af en massiv stjernes død. I sådan et stjernepar, tyngdekraften fra den tætte rest fjerner den anden stjerne for noget af dens gas; gassen danner en tilvækstskive og spiraler mod neutronstjernen.

Som et resultat af denne opbygningsproces, de fleste binære neutronstjerner frigiver kontinuerligt store mængder røntgenstråler, som er præget af yderligere røntgenglimt med få timers eller dages mellemrum. Forskere kan redegøre for disse 'type-I'-udbrud, i form af nukleare reaktioner, der antændes i den indstrømmende gas – hovedsageligt brint – når den ophobes på neutronstjernens overflade.

Men Rapid Burster er en ejendommelig kilde:når det er bedst, den udsender disse type I-blink, mens der i perioder med lavere røntgenstråling, den udviser de meget mere uhåndgribelige 'type II'-udbrud – disse er pludselige, uberegnelige og ekstremt intense udgivelser af røntgenstråler.

I modsætning til type-I-udbrud, som ikke repræsenterer en signifikant frigivelse af energi i forhold til det, der normalt udsendes af den tiltagende neutronstjerne, udbrud af type II frigiver enorme mængder energi i perioder, der ellers er karakteriseret ved, at der forekommer meget lidt emission.

På trods af fyrre års søgninger, type II-udbrud er kun blevet detekteret i én anden kilde udover Rapid Burster. Kendt som The Bursting Pulsar og opdaget i 1990'erne, dette binære system omfatter en lavmassestjerne og en stærkt magnetiseret, snurrende neutronstjerne – en pulsar – der kun udviser type II-udbrud.

På grund af mangel på kilder, der viser dette fænomen, de underliggende fysiske mekanismer har længe været diskuteret, men en ny undersøgelse af Rapid Burster giver første bevis for, hvad der sker.

"Rapid Burster er det arketypiske system til at undersøge type II-udbrud – det er her, de først blev observeret og den eneste kilde, der viser både type-I- og type-II-udbrud, siger Jakob van den Eijnden, en ph.d.-studerende ved Anton Pannekoek Institute for Astronomy i Amsterdam, Holland, og hovedforfatter til et brev udgivet i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

I dette studie, Jakob og hans kolleger organiserede en observationskampagne ved hjælp af tre røntgenrumteleskoper for at finde ud af mere om dette system.

Under koordinering af medforfatter Tullio Bagnoli, som også var baseret på Anton Pannekoek Institute for Astronomy, holdet formåede at observere kilden briste over et par dage i oktober 2015 med en kombination af NASAs NuSTAR og Swift, og ESA's XMM-Newton.

De overvågede først kilden med Swift, timing af observationerne i en periode, hvor de forventede, at en række type II-udbrud ville finde sted. Derefter, kort efter det første udbrud blev opdaget, videnskabsmændene satte de andre observatorier i gang, ved hjælp af XMM-Newton til at måle røntgenstråler, der udsendes direkte af neutronstjernens overflade eller af gas i accretionsskiven, og NuSTAR til at detektere røntgenstråler med højere energi, som udsendes af neutronstjernen og reflekteres fra skiven.

Med disse data, forskerne undersøgte strukturen af ​​accretion disc for at forstå, hvad der sker med den før, i løbet af, og efter disse rigelige udgivelser af røntgenstråler.

Ifølge en model, type II-udbrud opstår, fordi neutronstjernens hurtigt roterende magnetfelt holder gassen, der strømmer fra ledsagerstjernen, i skak, forhindrer den i at nå tættere på neutronstjernen og skaber effektivt en indre kant i midten af ​​skiven. Imidlertid, når gassen fortsætter med at strømme og akkumuleres nær denne kant, den drejer hurtigere og hurtigere, og indhenter til sidst magnetfeltets rotationshastighed.

"Det er, som om vi kastede noget mod en karusell, der snurrer meget hurtigt:det ville prelle af, medmindre den kastes med samme hastighed som maskinen, " forklarer Jakob.

"En lignende balancegang sker mellem den indstrømmende gas og det roterende magnetfelt:så længe gassen ikke har den rigtige hastighed, den kan ikke komme til neutronstjernen, og den kan kun hobe sig op ved kanten. Når den når den rigtige hastighed, en masse gas har samlet sig og den rammer neutronstjernen på én gang, giver anledning til den dramatiske emission af type II-udbrud."

Denne model forudsiger, at mens materialet hober sig op, der skulle dannes et mellemrum mellem neutronstjernen og kanten af ​​tilvækstskiven.

I andre modeller, de intense glimt forklares som hidrørende fra ustabilitet i strømmen af ​​den accreterende gas eller fra generel-relativistiske effekter. I begge tilfælde, disse ville finde sted meget tættere på neutronstjernen og ikke give anledning til et sådant hul.

"Et hul er præcis, hvad vi fandt på Rapid Burster, " siger Nathalie Degenaar, en forsker ved Anton Pannekoek Instituttet for Astronomi og Jakobs ph.d.-vejleder. "Dette tyder stærkt på, at type II-udbruddene er forårsaget af magnetfeltet."

Observationerne indikerer, at der er et mellemrum på omkring 90 km mellem neutronstjernen og den inderste kant af tilvækstskiven. Selvom det ikke er imponerende på kosmiske skalaer, Størrelsen af ​​mellemrummet er meget større end neutronstjernen selv, som har en radius på omkring 10 km.

Dette fund er i overensstemmelse med resultater fra en tidligere undersøgelse foretaget af Nathalie og samarbejdspartnere, som havde observeret et lignende hul omkring Sprængende Pulsar - den anden kilde, der vides at producere type II-udbrud.

I den nye undersøgelse af Rapid Burster, forskerne målte også styrken af ​​neutronstjernens magnetfelt:ved 6 × 108 G, den er omkring en milliard gange stærkere end Jordens og, mest vigtige, over fem gange stærkere end observeret i andre neutronstjerner med en stjerneledsager med lav masse. Dette kunne antyde en ung alder af dette binære system, tyder på, at akkretionsprocessen ikke har været i gang længe nok til at dæmpe magnetfeltet ned, som det menes at være sket i lignende systemer.

Hvis denne neutronstjerne-binær virkelig er så ung, som dens stærke magnetfelt indikerer, så forventes den at spinde meget langsommere end dens ældre modstykker:fremtidige målinger af stjernens rotationshastighed kan være med til at bekræfte dette usædvanlige scenario.

"Dette resultat er et stort skridt mod at løse et fyrre år gammelt puslespil inden for neutronstjerneastronomi, samtidig med at de afslører nye detaljer om samspillet mellem magnetfelter og tilvækstskiver i disse eksotiske objekter, " slutter Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist hos ESA.