Pulsar jackpot afslører kugleformede klyngers indre struktur

Mælkevejen er propfyldt med stjernehobe. Nogle indeholder kun nogle få ti-til-hundreder af unge stjerner. andre, kendt som kuglehobe, er blandt de ældste objekter i universet og indeholder op til en million gamle stjerner.

Nogle kuglehobe menes at være fragmenter af vores galakse, mejslet af, da Mælkevejen var i sin vorden. Andre kan have startet livet som selvstændige dværggalakser, før de blev fanget af Mælkevejen i dens formative år.

Uanset deres oprindelse, mange kuglehobe findes enten i eller bagved de støvede områder af vores galakse. Til jord- og rumbaserede optiske teleskoper, imidlertid, dette udgør en udfordring. Selvom det er muligt at observere klyngen som helhed, støvet hindrer astronomernes bestræbelser på at studere individuelle stjerners bevægelser. Hvis astronomer kunne spore individuelle stjerners bevægelser, de kunne se, hvor "klumpet" kuglehoben er, eller om den indeholder noget virkelig tæt, som et kæmpe sort hul i midten.

Heldigvis, radiobølger – som dem der udsendes af pulsarer – er uhindret af galaktisk støv. Så i stedet for at spore stjernernes bevægelser, astronomer burde i stedet kunne kortlægge pulsarernes bevægelser. Men, selvfølgelig, tingene er aldrig så enkle. Selvom kuglehobe er fyldt med stjerner, de indeholder langt færre pulsarer.

"Det er det, der gør Terzan 5 til et så vigtigt studiemål; den har en hidtil uset overflod af pulsarer - i alt 37 opdaget indtil videre, selvom kun 36 blev brugt i vores undersøgelse, sagde Brian Prager, en ph.d. kandidat ved University of Virginia i Charlottesville og hovedforfatter på et papir, der vises i Astrofysisk tidsskrift . "Jo flere pulsarer du kan observere, jo mere komplet dit datasæt, og jo flere detaljer kan du skelne om det indre af klyngen."

Terzan 5-klyngen er omkring 19, 000 lysår fra Jorden, lige uden for den centrale bule af vores galakse.

For deres forskning, astronomerne brugte National Science Foundations (NSF) Green Bank Telescope (GBT) i West Virginia. GBT er et utroligt effektivt instrument til pulsardetektion og -observation. Den har udsøgt følsom elektronik, nogle specifikt optimeret til denne opgave, og en 100 meter tallerken, det største af ethvert fuldt styrbart radioteleskop.

Pulsarer er neutronstjerner - de fantastisk tætte rester af supernovaer - der udsender radiobølger fra deres magnetiske poler. Når en pulsar roterer, dens stråler af radiolys fejer hen over rummet i en kosmisk version af et fyrtårn. Hvis strålerne lyser i retning af Jorden, astronomer kan registrere de udsøgt stabile pulser fra stjernen.

Da pulsarerne i Terzan 5 bevæger sig i forhold til Jorden – trukket i forskellige retninger af klyngens varierende tæthed – kommer Doppler-effekten i spil. Denne effekt tilføjer en lille forsinkelse til timingen, hvis pulsaren bevæger sig væk fra Jorden. Det barberer også den mindste brøkdel af et millisekund, hvis pulsaren bevæger sig mod os.

I tilfældet med Terzan 5, astronomer er særligt interesserede i en klasse af pulsarer kendt som millisekundpulsarer. Disse pulsarer roterer hundredvis af gange hvert sekund med en regelmæssighed, der kan måle sig med præcisionen af ​​atomure på Jorden.

Pulsarer opnår disse bemærkelsesværdige hastigheder ved at suge stof fra en nærliggende ledsagerstjerne. Det indfaldende stof rammer kanten af ​​neutronstjernen i en vinkel, at øge pulsarens spin-hastighed på nogenlunde samme måde, som en basketball, der er balanceret på spidsen af ​​en finger, kan snurres op ved at slå dens side.

Millisekundpulsarer er en særlig velsignelse for astronomer, fordi de gør det muligt at detektere næsten uendeligt små ændringer i timingen af ​​radioimpulserne.

"Pulsarer er utroligt præcise kosmiske ure, " sagde Scott Ransom, en astronom ved National Radio Astronomy Observatory (NRAO) i Charlottesville, Virginia, og medforfatter på papiret. "Med GBT, vores team var i det væsentlige i stand til at måle, hvordan hvert af disse ure falder gennem rummet mod områder med højere masse. Når vi har den information, vi kan oversætte det til et meget præcist kort over klyngens tæthed, viser os, hvor hovedparten af ​​'tingene' i klyngen befinder sig."

Tidligere, astronomer troede, at Terzan 5 enten kunne være en skæv dværggalakse, der blev opslugt af Mælkevejen, eller et fragment af den galaktiske bule. Hvis hoben var en fanget dværggalakse, det kan også rumme et centralt supermassivt sort hul, som er et af kendetegnene for alle store galakser og kan også findes i mange dværggalakser.

De nye GBT-data, imidlertid, viser ingen tydelige tegn på, at en enkelt, det centrale sorte hul lurer i Terzan 5. "Men, vi kan endnu ikke sige med sikkerhed, om en mindre, mellemmasse sort hul opholder sig der. De nye observationer giver også bedre bevis for, at Terzan 5 er en ægte kuglehob født i Mælkevejen i stedet for resterne af en dværggalakse, " sagde Ransom.

Fremtidige observationer ved hjælp af mere sofistikerede accelerationsmodeller kan bedre begrænse oprindelsen af ​​Terzan 5.