En neutronstjerne med en usædvanlig magnetfeltstruktur

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, Rumforskningsinstituttet ved Det Russiske Videnskabsakademi (IKI), og Pulkovo Observatory opdagede en unik neutronstjerne, hvis magnetfelt kun er synligt, når stjernen ses under en bestemt vinkel i forhold til iagttageren. Tidligere, alle neutronstjerner kunne grupperes i to store familier:den første omfattede objekter, hvor magnetfeltet manifesterer sig under hele spin-cyklussen, og den anden omfattede objekter, hvor magnetfeltet slet ikke måles. Neutronstjernen GRO J2058+42, som forskerne har studeret, giver kun et indblik i den indre struktur af en neutronstjernes magnetfelt i en bestemt fase af dens rotationsperiode. Værket blev udgivet i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Neutronstjernen i GRO J2058+42-systemet blev opdaget for næsten et kvart århundrede siden med Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) i USA. Den tilhører klassen af ​​såkaldte transiente røntgenpulsarer. Dette objekt blev studeret ved hjælp af forskellige instrumenter, og intet adskilte det fra andre objekter i sin klasse. Kun nylige observationer med NuSTAR rumobservatoriet, der har en fremragende kombination af den høje energiopløsning ( <400 eV) og ekstremt bredt energiområde (3-79 keV), satte forskerne i stand til at opdage et ejendommeligt træk i pulsarens emission, potentielt gør det til det første objekt i sin egen familie.

En cyklotronabsorptionslinje blev registreret i kildeenergispektret, der giver mulighed for estimering af neutronstjernens magnetiske feltstyrke. Et sådant observationsfænomen (cyklotronlinje) er ikke nyt og observeres i øjeblikket i cirka 30 røntgenpulsarer. Det unikke ved de russiske videnskabsmænds opdagelse er, at denne linje kun manifesterer sig, når neutronstjernen ses i en bestemt vinkel i forhold til observatøren. Denne opdagelse var mulig på grund af en detaljeret "tomografisk" analyse af systemet. Røntgenspektre af neutronstjernen GROJ2058+42 blev målt fra ti forskellige retninger, og kun i én af dem blev der fundet en signifikant nedsættelse af emissionsintensiteten omkring 10 keV. Denne energi svarer omtrent til den magnetiske feltstyrke på 1012 G ved neutronstjernens overflade. Det opnåede resultat er især interessant på grund af en samtidig registrering af højere harmoniske af cyklotronlinjen ved samme rotationsfase af neutronstjernen.

Neutronstjerner er supertætte objekter med en radius på omkring 10 km og massen på 1,4-2,5 gange Solens masse. Neutronstjerner er født som et resultat af supernovaeksplosioner, der kan føre til en sådan kompression af stoffet, at elektroner smelter sammen med protoner og danner neutroner, resulterer i kolossale masser i små volumener. I øvrigt, magnetfeltstyrken på overfladen af ​​neutronstjernen efter kollapset kan nå 1011-1012 G (hvilket er titusinder gange højere end opnået i de mest kraftfulde jordlaboratorier). Typisk, neutronstjerner har en dipolkonfiguration af magnetfeltet - dvs. de har to poler (svarende til Jorden, som har nord og syd magnetiske poler).

Nogle neutronstjerner kan danne binære systemer med normale stjerner, indfange stof fra deres normale ledsagere og akkretere det på magnetiske poler. Denne proces ligner noget, at Jorden fanger solvindpartikler, hvilket resulterer i et fænomen kendt som aurora. Hvis neutronstjernens rotationsakse ikke falder sammen med dens magnetiske akse, observatøren vil registrere et periodisk signal, som en fra et fyrtårn, og stjernen fremstår som en røntgenpulsar.

GRO J2058+42 er en meget ejendommelig røntgenpulsar, fordi dens emission kun kan observeres under lyse udbrud. En sådan adfærd forklares ved, at følgestjernen i dette system tilhører den såkaldte klasse Be-stjerner. Sådanne stjerner roterer omkring deres akse så hurtigt, at der dannes en udstrømmende (eller en såkaldt dekret) skive af stof omkring deres ækvator. Når neutronstjernen bevæger sig rundt om en normalkomponent med høj masse, stoffet fra en sådan skive begynder at flyde til overfladen, som fører til et udbrud, eller en hurtig stigning i lysstyrken. Disse er ideelle øjeblikke til at studere fysiske egenskaber af sådanne genstande.

Sådanne undersøgelser kompliceres typisk af det faktum, at udbrud i de fleste sådanne systemer er ret sjældne og ikke kan forudsiges pålideligt. Derfor, det er vigtigt straks at organisere observationer med rumobservatorier, når sådanne begivenheder sker. Forskere fra de ovennævnte institutter var så heldige at fange begyndelsen på et nyt udbrud fra GRO J2058+42 og organiserede hurtigt serier af observationer med NuSTAR-observatoriet. Disse observationer viste, at magnetfeltet kun manifesterer sig under visse faser af neutronstjernens rotation, hvilket kan pege på dets usædvanlige konfiguration eller ejendommeligheder i systemets geometri. De opnåede resultater var så spændende, at de russiske videnskabsmænd kontaktede deres kolleger fra NuSTAR-holdet og foreslog at udføre yderligere observationer, der bekræftede de første resultater.

Generelt, mulige inhomogeniteter i magnetfeltstrukturen af ​​neutronstjerner blev forudsagt af teoretiske beregninger, men tidligere havde man troet, at sådanne inhomogeniteter kun dannedes gennem korte udbrud, observeret fra magnetarer. Opdagelsen af ​​de russiske videnskabsmænd beviste for første gang, at magnetfeltet i en neutronstjerne har en betydeligt mere kompleks struktur end hvad man tidligere havde troet, og at denne komplekse struktur kan bevare sin form i ret lang tid og være en grundlæggende egenskab ved et objekt.

Alexander Lutovinov, Professor ved Det Russiske Videnskabsakademi, Vicedirektør for forskning ved Space Research Institute, MIPT professor, og en af ​​opdagelsesforfatterne, sagde, "Strukturen af ​​neutronstjerners magnetfelter er et grundlæggende spørgsmål om dets dannelse og udvikling. På den ene side, progenitorstjernens dipolstruktur skal bevares under kollapset, men på den anden side, selv vores egen sol har lokale magnetfeltinhomogeniteter, der manifesteres som solpletter. Lignende strukturer blev også teoretisk forudsagt for neutronstjerner. Det er fantastisk at se dem i rigtige data for første gang. Teoretikerne vil nu have nye faktuelle data til deres modellering, og vi vil have et nyt værktøj til at studere parametre for neutronstjerner."