Stjernevinde, kildematerialet til universet, er klumpete

Data registreret af NASA's Chandra X-ray Observatory af en neutronstjerne, da den passerede gennem en tæt plet af stjernevind, der stammer fra dens massive ledsagerstjerne, giver værdifuld indsigt om strukturen og sammensætningen af ​​stjernevinde og om miljøet af selve neutronstjernen. Et papir, der beskriver forskningen, ledet af Penn State astronomer, vises 15. januar, 2019, i journalen, Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

"Stjernevinde er det hurtigtstrømmende materiale - sammensat af protoner, elektroner, og metalatomer - udstødt fra stjerner, " sagde Pragati Pradhan, en postdoc-forsker i astronomi og astrofysik ved Penn State og hovedforfatteren af ​​papiret. "Dette materiale beriger stjernens omgivelser med metaller, kinetisk energi, og ioniserende stråling. Det er kildematerialet til stjernedannelse. Indtil det sidste årti, man troede, at stjernevinde var homogene, men disse Chandra-data giver direkte beviser for, at stjernevinde er befolket med tætte klumper."

Den observerede neutronstjerne er en del af et højmasserøntgen-binært system - den kompakte, utrolig tæt neutronstjerne parret med en massiv 'normal' superkæmpestjerne. Neutronstjerner i binære systemer producerer røntgenstråler, når materiale fra følgestjernen falder mod neutronstjernen og accelereres til høje hastigheder. Som et resultat af denne acceleration, Der produceres røntgenstråler, som kan interagere med stjernevindens materialer for at producere sekundære røntgenstråler af signaturenergier i forskellige afstande fra neutronstjernen. Neutrale-uladede-jernatomer, for eksempel, producere fluorescens røntgenstråler med energier på 6,4 kilo-elektronvolt (keV), omkring 3000 gange energien af ​​synligt lys. Astronomer bruger spektrometre, som instrumentet på Chandra, at fange disse røntgenstråler og adskille dem baseret på deres energi for at lære om stjernernes sammensætning.

"Neutrale jernatomer er en mere almindelig bestanddel af stjerner, så vi ser normalt en stor top på 6,4 keV i dataene fra vores spektrometre, når vi ser på røntgenstråler fra de fleste neutronstjerner i et binært system med højmasserøntgenstråler, " sagde Pradhan. "Da vi så på røntgendata fra det binære højmasserøntgensystem kendt som OAO 1657-415, så vi, at denne top på 6,4 keV havde en usædvanlig egenskab. Toppen havde en bred forlængelse ned til 6,3 keV. Denne forlængelse omtales som en 'Compton-skulder' og indikerer, at røntgenstrålerne fra neutralt jern bliver tilbage spredt af tæt stof, der omgiver stjernen. Dette er kun det andet højmasserøntgen-binære system, hvor en sådan funktion er blevet opdaget."

Forskerne brugte også Chandras state-of-the-art teknik til at identificere en nedre grænse for afstanden fra neutronstjernen, som røntgenstrålerne fra neutralt jern dannes. Deres spektralanalyse viste, at neutralt jern ioniseres i mindst 2,5 lyssekunder, en afstand på cirka 750 millioner meter eller næsten 500, 000 miles, fra neutronstjernen til at producere røntgenstråler.

"I dette arbejde, vi ser en dæmpning af røntgenstrålerne fra neutronstjernen og en fremtrædende linje fra neutralt jern i røntgenspektret - to signaturer, der understøtter stjernevindens klumpete natur, sagde Pradhan. Ydermere, påvisningen af ​​Compton-skulder har også givet os mulighed for at kortlægge miljøet omkring denne neutronstjerne. Vi forventer at kunne forbedre vores forståelse af dette fænomen med den kommende opsendelse af rumfartøjer som Lynx og Athena, som vil have forbedret røntgenspektral opløsning."

For Pradhans postdoktorale arbejde ved Penn State under vejledning af professor i astronomi og astrofysik David Burrows, Lektor i astronomi og astrofysik Jamie Kennea, og forskningsprofessor i astronomi og astrofysik Abe Falcone, hun er hovedsageligt involveret i at skrive algoritmer til on-board detektion af røntgenstråler fra forbigående astronomiske hændelser, såsom dem set fra disse højmasse røntgen-binære systemer til instrumenter, der vil være på Athena-rumfartøjet.

Pradhan og hendes team har også en opfølgningskampagne, der ser på den samme højmasserøntgen-binære med en anden NASA-satellit—NuSTAR, som vil dække et bredere spektrum af røntgenstråler fra denne kilde, der spænder i energier fra ~3 til 70 keV—i maj 2019.

"Vi er også begejstrede for den kommende NuSTAR-observation, " sagde Pradhan. "Sådanne observationer i hårde røntgenstråler vil tilføje en anden dimension til vores forståelse af fysikken i dette system, og vi vil have mulighed for at estimere neutronstjernens magnetfelt i OAO 1657-415, som sandsynligvis er en million gange stærkere end det stærkeste magnetfelt på Jorden."