Fra gammastråler til røntgenstråler:Ny metode identificerer tidligere ubemærket pulsaremission

Baseret på en ny teoretisk model, et hold videnskabsmænd udforskede det rige dataarkiv af ESA's XMM-Newton og NASA's Chandra rumobservatorier for at finde pulserende røntgenstråling fra tre kilder. Opdagelsen, afhængig af tidligere gammastråleobservationer af pulsarerne, giver et nyt værktøj til at undersøge de mystiske mekanismer bag pulsaremission, hvilket vil være vigtigt for at forstå disse fascinerende objekter og bruge dem til rumnavigation i fremtiden.

universets fyrtårne, pulsarer er hurtigt roterende neutronstjerner, der udsender stråler af stråling. Når pulsarer roterer, og strålerne skiftevis peger mod og væk fra Jorden, kilden svinger mellem lysere og svagere tilstande, hvilket resulterer i et signal, der ser ud til at 'pulsere' med få millisekunder til sekunder, med en regelmæssighed, der konkurrerer med selv atomure.

Pulsarer er de utroligt tætte, ekstremt magnetisk, relikvier af massive stjerner, og er blandt de mest ekstreme objekter i universet. At forstå, hvordan partikler opfører sig i et så stærkt magnetfelt, er grundlæggende for at forstå, hvordan stof og magnetiske felter interagerer mere generelt.

Oprindeligt opdaget gennem deres radioemission, pulsarer er nu kendt for også at udsende andre typer stråling, dog typisk i mindre mængder. Noget af denne emission er standard termisk stråling - den type, som alt med en temperatur over det absolutte nulpunkt udsender. Pulsarer frigiver termisk stråling, når de ophober stof, for eksempel fra en anden stjerne.

Men pulsarer udsender også ikke-termisk stråling, som ofte produceres i de mest ekstreme kosmiske miljøer. I pulsarer, ikke-termisk stråling kan skabes via to processer:synkrotronemission og krumningsemission. Begge processer involverer ladede partikler, der accelereres langs magnetiske feltlinjer, får dem til at udstråle lys, der kan variere i bølgelængde fra radiobølger til gammastråler.

Ikke-termiske røntgenstråler skyldes for det meste synkrotronemission, mens gammastråler kan komme fra såkaldt synkrokurvatur-emission - en kombination af de to mekanismer. Det er relativt nemt at finde pulsarer, der udstråler gammastråler – NASAs Fermi Gamma-Ray Space Telescope har opdaget mere end 200 af dem i løbet af det sidste årti, takket være dens evne til at scanne hele himlen. Men kun omkring 20 har vist sig at pulsere i ikke-termiske røntgenstråler.

"I modsætning til undersøgelsesinstrumenter til gammastråledetektering, Røntgenteleskoper skal fortælles præcist, hvor de skal pege, så vi er nødt til at give dem en form for vejledning, " siger Diego Torres, fra Institut for Rumvidenskab i Barcelona, Spanien.

Vær opmærksom på, at der burde være mange pulsarer, der udsender tidligere uopdagede ikke-termiske røntgenstråler, Torres udviklede en model, der kombinerede synkrotron- og krumningsstråling for at forudsige, om pulsarer detekteret i gammastråler også kunne forventes at optræde i røntgenstråler.

"Videnskabelige modeller beskriver fænomener, der ikke kan opleves direkte, " forklarer Torres.

"Denne model hjælper især med at forklare emissionsprocesserne i pulsarer og kan bruges til at forudsige røntgenstrålingen, som vi bør observere, baseret på den kendte gammastråleemission."

Modellen beskriver gammastråleudsendelsen af ​​pulsarer detekteret af Fermi – specifikt, lysstyrken observeret ved forskellige bølgelængder – og kombinerer denne information med tre parametre, der bestemmer pulsaremissionen. Dette tillader en forudsigelse af deres lysstyrke ved andre bølgelængder, for eksempel ved røntgenstråler.

Torres samarbejdede med et team af forskere, ledet af Jian Li fra Deutsches Elektronen Synchrotron i Zeuthen nær Berlin, Tyskland, at vælge tre kendte gammastråleudsendende pulsarer, som de forventede, baseret på modellen, også at skinne klart i røntgenstråler. De gravede i dataarkiverne fra ESA's XMM-Newton og NASAs Chandra røntgenobservatorier for at søge efter beviser for ikke-termisk røntgenstråling fra hver af dem.

"Ikke kun opdagede vi røntgenpulseringer fra alle tre pulsarer, men vi fandt også ud af, at spektret af røntgenstråler var næsten det samme som forudsagt af modellen, " forklarer Li.

"Det betyder, at modellen meget præcist beskriver emissionsprocesserne inden for en pulsar."

I særdeleshed, XMM-Newton-data viste tydelig røntgen-emission fra PSR J1826-1256 - en radiostille gammastrålepulsar med en periode på 110,2 millisekunder. Spektret af lys modtaget fra denne pulsar var meget tæt på det, som modellen forudsagde. røntgenstråling fra de to andre pulsarer, som begge roterer lidt hurtigere, blev afsløret ved hjælp af Chandra-data.

Denne opdagelse repræsenterer allerede en betydelig stigning i det samlede antal pulsarer, der vides at udsende ikke-termiske røntgenstråler. Holdet forventer, at mange flere vil blive opdaget i løbet af de næste par år, da modellen kan bruges til at finde ud af, hvor man præcis skal lede efter dem.

At finde flere røntgenpulsarer er vigtigt for at afsløre deres globale egenskaber, herunder befolkningskarakteristika. En bedre forståelse af pulsarer er også afgørende for potentielt at drage fordel af deres nøjagtige timingsignaler til fremtidige rumnavigationsbestræbelser.

Resultatet er et skridt i retning af at forstå sammenhængen mellem emissionen fra pulsarer i forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum, muliggør en robust måde at forudsige lysstyrken af ​​en pulsar ved enhver given bølgelængde. Dette vil hjælpe os med bedre at forstå samspillet mellem partikler og magnetiske felter i pulsarer og videre.

"Denne model kan lave nøjagtige forudsigelser af pulsar røntgenstråling, og den kan også forudsige emissionen ved andre bølgelængder, for eksempel synlig og ultraviolet, "Forsætter Torres.

"I fremtiden, vi håber at finde nye pulsarer, der fører til en bedre forståelse af deres globale egenskaber."

Undersøgelsen fremhæver fordelene ved XMM-Newtons enorme dataarkiv til at gøre nye opdagelser og viser missionens imponerende evner til at opdage relativt svage kilder. Holdet ser også frem til at bruge den næste generation af røntgenrumteleskoper, herunder ESA's fremtidige Athena-mission, at finde endnu flere pulsarer, der udsender ikke-termiske røntgenstråler.

"Som flagskibet for europæisk røntgenastronomi, XMM-Newton registrerer flere røntgenkilder end nogen tidligere satellit. Det er fantastisk at se, at det er med til at løse så mange kosmiske mysterier, " slutter Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist hos ESA.