Astronomer registrerer gammastråler, der er en gang i livet

Forskere har opdaget noget fantastisk.

I en klynge af nogle af de mest massive og lysende stjerner i vores galakse, omkring 5, 000 lysår fra Jorden, astronomer opdagede partikler, der blev accelereret af en hurtigt roterende neutronstjerne, da den passerede den massive stjerne, den kredser om, kun én gang hvert 50. år.

Opdagelsen er yderst sjælden, ifølge University of Delaware astrofysiker Jamie Holder og doktorand Tyler Williamson, som var en del af det internationale hold, der dokumenterede hændelsen.

Holder kaldte dette excentriske par af gravitationsforbundne stjerner for et "gamma-ray binært system" og sammenlignede begivenheden en gang i livet med ankomsten af ​​Halleys komet eller sidste års amerikanske solformørkelse.

Massive stjerner er blandt de klareste stjerner i vores galakse. Neutronstjerner er ekstremt tætte og energiske stjerner, der opstår, når en massiv stjerne eksploderer.

Dette binære system er en massiv stjerne med en neutronstjerne, der kredser omkring sig. Af de 100 milliarder stjerner i vores galakse, mindre end 10 er kendt for at være denne type system.

Endnu færre - kun to systemer, inklusive denne - er kendt for at have en identificeret neutronstjerne, eller pulsar, der udsender impulser af radiobølger, som videnskabsmænd kan måle. Dette er vigtigt, fordi det fortæller astronomerne meget præcist, hvor meget energi der er til rådighed for at accelerere partikler, noget forskerne ikke ved lidt om.

"Man kunne ikke bede om et bedre naturligt laboratorium til at studere partikelacceleration i et konstant skiftende miljø - ved energier langt ud over noget, vi kan producere på Jorden, " sagde Holder, en professor i UD's Institut for Fysik og Astronomi.

Projektet blev ledet af et team af forskere, inklusive Holder og Williamson, ved hjælp af VERITAS-teleskoparrayet ved Fred Lawrence Whipple Observatory i Arizona, i samarbejde med forskere, der bruger MAGIC-teleskoperne ved Roque de los Muchachos-observatoriet i La Palma, en ø på De Kanariske Øer, Spanien. (VERITAS står for Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System og MAGIC står for Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov-teleskoper.)

Forskerne rapporterede for nylig deres resultater i Astrofysiske tidsskriftsbreve.

Håber på fyrværkeri

Det naturlige spørgsmål, for mange sind, er hvorfor bekymrer forskerne sig om accelererede partikler?

"Fordi vores galakse er fuld af dem. Vi kalder dem kosmiske stråler, og de bærer lige så meget energi som lyset fra alle stjernerne, " sagde Holder.

Astronomer opdagede for mere end 100 år siden, at der eksisterer accelererede partikler, men hvordan eller hvor disse partikler accelererer forbliver et mysterium. Pulsarer er blandt de mest ekstreme objekter i universet, og de har magnetiske felter omkring sig, der er millioner af gange stærkere end noget, videnskabsmænd kunne håbe på at bygge på jorden. Når en pulsar støder på støv eller gas tæt på en massiv stjerne, partiklerne i nærheden accelererer - til næsten lyshastigheder - og kolliderer med det, der er omkring dem. Resultatet er en stråle af højenergilys kaldet gammastråling eller gammastråler.

Sofistikerede teleskoper, som dem, der drives af VERITAS og MAGIC, kan detektere disse gammastråler, fordi de udsender et blåt lysglimt, når de når jordens atmosfære. Mens vores øjne ikke kan se disse lysglimt, fordi de er for hurtige, kun nanosekunder lang, disse teleskoper kan.

En gang i livet ph.d.-oplevelse

Astronomer opdagede første gang gammastråler fra pulsaren i dette usædvanlige par stjerner i 2008. På størrelse med Newark, Delaware, pulsaren snurrer som tilbehøret på en køkkenblender, udsender små pulser af gammastråler og radiobølger ved hver drejning.

Ved at måle disse radiopulsfrekvenser, astronomer var i stand til at fortælle, hvor hurtigt pulsaren bevægede sig og beregne præcis, hvornår den ville være tættest på den massive stjerne, den kredsede om - nov. 13, 2017. Det er en tur, der tog 50 år.

VERITAS- og MAGIC-holdene begyndte at overvåge nattehimlen og spore pulsarens kredsløb i september 2016. Først de var ikke engang sikre på, om de ville se noget. Men i september 2017 begyndte astronomerne at opdage en hurtig stigning i antallet af gammastråler, der rammer toppen af ​​jordens atmosfære.

Da de overvågede dataene fra VERITAS-teleskoperne, Holder og Williamson indså, at pulsaren gjorde noget anderledes hver dag.

"Jeg vågnede hver morgen og tjekkede og se, om vi havde nye data, så analyser det så hurtigt jeg kunne, fordi der var tidspunkter, hvor antallet af gammastråler, vi så, ændrede sig hurtigt i løbet af en dag eller to, " sagde Williamson, en fjerdeårs doktorand.

Under den nærmeste tilgang mellem stjernen og pulsaren i november 2017, Williamson bemærkede, at VERITAS-teleskoperne - natten over - havde optaget ti gange antallet af gammastråler, der kun blev opdaget et par dage før.

"Jeg dobbelttjekkede alt, før jeg sendte dataene til vores samarbejdspartnere, " sagde Williamson. "Så en af ​​vores partnere, Ralph Bird ved UCLA, bekræftede, at han havde fået de samme resultater; det var spændende."

Endnu mere interessant - disse observationsdata stemte ikke overens med, hvad prædiktive modeller havde forudsagt.

Generelt sagt, Holder sagde, eksisterende modeller forudsagde, at da pulsaren nærmede sig den massive stjerne, den kredsede, antallet af producerede gammastråler vil langsomt accelerere, opleve en vis volatilitet og derefter langsomt henfalde over tid.

"Men vores registrerede data viste en enorm stigning i antallet af gammastråler i stedet for, " sagde Holder. "Dette fortæller os, at vi er nødt til at revidere modellerne for, hvordan denne partikelacceleration sker."

Hvad mere er, ifølge Holder, mens astrofysikere forventede, at National Aeronautics and Space Administrations (NASA) Fermi gamma-ray rumteleskop ville optage disse gammastråler, det gjorde det ikke. Holder sagde, at årsagen til dette er uklar, men det er noget af det, der gør VERITAS-resultaterne så interessante.

Astrofysikere ønsker at lære, hvilke partikler der bliver accelereret, og hvilke processer presser dem op til disse ekstreme hastigheder, for at forstå mere om universet. Holder sagde, at selvom binære systemer med gammastråler sandsynligvis ikke accelererer en stor del af partiklerne i vores galakse, de giver videnskabsmænd mulighed for at studere den type accelerationsmekanismer, der kunne producere dem.

Tegner en lovende fremtid

Astronomer vil ikke være i stand til at se dette binære system i arbejde igen før i 2067, når de to stjerner igen er tæt på hinanden. Inden da Williamson jokede med, at han måske bare var emeritusprofessor med tid på hænderne.

I øjeblikket, Williamson er ikke bekymret for at løbe tør for ting at lave. Han tilbragte tre måneder ved det Arizona-baserede observatorium tidligere på året, tage målinger, udfører hardwarevedligeholdelse og udtænker en fjernbetjening, der giver forskerne mulighed for at tænde for teleskopets kameraer fra en computer inde i et kontrolrum.

"Det var en fantastisk chance for at bruge praktisk tid med teleskoperne og lære instrumentet at kende, " sagde Williamson.

Fremadrettet, han vil bruge resten af ​​sine ph.d.-studier på at gennemgå og analysere mere detaljeret de næsten 175 timers data, som VERITAS-teleskoperne indsamlede i 2016 og 2017.

"Tyler er, uden tvivl, den heldigste kandidatstuderende, jeg nogensinde har mødt, fordi denne begivenhed, der kun sker én gang hvert 50. år – en af ​​de mest spændende ting, vi har set med vores teleskoper i et årti – fandt sted lige midt i hans doktorgradsarbejde, " sagde Holder.