Galaksens lyseste binære gammastrålesystem kan være drevet af en magnetar

Et team af forskere ledet af medlemmer af Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) har analyseret tidligere indsamlede data for at udlede den sande natur af et kompakt objekt - vist sig at være en roterende magnetar, en type neutronstjerne med et ekstremt stærkt magnetfelt – der kredser inden for LS 5039, det lyseste binære gamma-ray system i galaksen.

Herunder tidligere kandidatstuderende Hiroki Yoneda, Seniorforsker Kazuo Makishima og hovedforsker Tadayuki Takahashi ved Kavli IMPU, holdet foreslår også, at partikelaccelerationsprocessen, der vides at forekomme i LS 5039, er forårsaget af interaktioner mellem de tætte stjernevinde fra dens primære massive stjerne, og ultra-stærke magnetfelter af den roterende magnetar.

Binære gammastråler er et system af massive, højenergistjerner og kompakte stjerner. De blev først opdaget for nylig, i 2004, da observationer af meget højenergiske gammastråler i teraelectronvolt (TeV) båndet fra store nok områder af himlen blev mulige. Når det ses med synligt lys, binære gammastråler vises som lyse blåhvide stjerner, og kan ikke skelnes fra noget andet binært system, der er vært for en massiv stjerne. Imidlertid, når det observeres med røntgenstråler og gammastråler, deres egenskaber er dramatisk forskellige fra andre binære filer. I disse energibånd, almindelige binære systemer er fuldstændig usynlige, men binære gammastråler producerer intens ikke-termisk emission, og deres intensitet ser ud til at stige og falde i overensstemmelse med deres omløbsperioder på flere dage til flere år.

Da de binære gammastråler blev etableret som en ny astrofysisk klasse, det blev hurtigt erkendt, at en ekstremt effektiv accelerationsmekanisme skulle fungere i dem. Mens accelerationen af ​​TeV-partikler kræver snesevis af år i supernova-rester, som er berømte kosmiske acceleratorer, binære gamma-stråler øger elektronenergi ud over 1 TeV på kun 10 sekunder. Binære gammastråler kan således betragtes som en af ​​de mest effektive partikelacceleratorer i universet.

Ud over, nogle binære gammastråler er kendt for at udsende stærke gammastråler med energier på adskillige megaelektronvolt (MeV). Gammastråler i dette bånd er i øjeblikket vanskelige at observere; de blev opdaget fra kun omkring 30 himmellegemer på hele himlen. Men det faktum, at sådanne binære filer udsender stærk stråling selv i dette energibånd, bidrager i høj grad til mysteriet omkring dem, og indikerer en ekstremt effektiv partikelaccelerationsproces, der foregår i dem.

Omkring 10 binære gammastråler er blevet fundet i galaksen indtil videre - sammenlignet med mere end 300 røntgenbinære, der vides at eksistere. Hvorfor binære gammastråler er så sjældne er ukendt, og, Ja, hvad den sande natur af deres accelerationsmekanisme er, har været et mysterium - indtil nu.

Gennem tidligere undersøgelser, det var allerede klart, at en binær gammastråle generelt er lavet af en massiv primær stjerne, der vejer 20-30 gange Solens masse, og en ledsagerstjerne, der skal være en kompakt stjerne, men det var ikke klart, i mange tilfælde, om den kompakte stjerne er et sort hul eller en neutronstjerne. Forskerholdet startede deres forsøg med at finde ud af, hvad der generelt er tilfældet.

Et af de mest direkte beviser for tilstedeværelsen af ​​en neutronstjerne er påvisningen af ​​periodiske hurtige pulsationer, som er relateret til neutronstjernens rotation. Detektering af en sådan pulsering fra en binær gammastråle kasserer næsten utvivlsomt scenariet med sort hul.

I dette projekt, holdet fokuserede på LS 5039, som blev opdaget i 2005, og stadig bevare sin position som den lyseste gammastråle binære i røntgen- og gammastråleområdet. Ja, denne binære gammastråle blev anset for at indeholde en neutronstjerne på grund af dens stabile røntgen- og TeV-gammastråling. Imidlertid, indtil nu, forsøg på at detektere sådanne impulser var blevet udført med radiobølger og bløde røntgenstråler - og fordi radiobølger og bløde røntgenstråler er påvirket af den primære stjernes stjernevinde, detektion af sådanne periodiske impulser havde ikke været vellykket.

Denne gang, for første gang, holdet fokuserede på det hårde røntgenbånd (> 10 keV) og observationsdata fra LS 5039 indsamlet af den hårde røntgendetektor (HXD) om bord på de rumbaserede teleskoper Suzaku (mellem 9. og 15. september, 2007) og NuSTAR (mellem 1. og 5. september, 2016) – faktisk den seks dage lange Suzaku-observationsperiode var den længste, der endnu brugte hårde røntgenstråler.

Begge observationer, mens adskilt med ni år, gav bevis for en neutronstjerne i kernen af ​​LS 5039:det periodiske signal fra Suzaku med en periode på omkring 9 sekunder. Sandsynligheden for, at dette signal stammer fra statistiske udsving, er kun 0,1 procent. NuSTAR viste også et meget lignende pulssignal, selvom pulssignifikansen var lavere - NuSTAR-dataene, for eksempel, var kun foreløbig. Ved at kombinere disse resultater, Det blev også udledt, at spin-perioden stiger med 0,001 s hvert år.

Baseret på den afledte spinperiode og stigningshastigheden, holdet udelukkede de rotationsdrevne og tilvækstdrevne scenarier, og fandt ud af, at neutronstjernens magnetiske energi er den eneste energikilde, der kan drive LS 5039. Det nødvendige magnetfelt når 10 ¹¹ T, hvilket er 3 størrelsesordener højere end typiske neutronstjerner. Denne værdi findes blandt såkaldte magnetarer, en underklasse af neutronstjerner, som har et så ekstremt stærkt magnetfelt. Pulsperioden på 9 sekunder er typisk for magnetarer, og dette stærke magnetfelt forhindrer den primære stjernes stjernevind i at blive fanget af en neutronstjerne, som kan forklare, hvorfor LS 5039 ikke udviser egenskaber svarende til røntgenpulsarer (røntgenpulsarer forekommer normalt i binære røntgensystemer, hvor stjernevindene fanges af dens ledsagerstjerne).

Interessant nok, de 30 magnetarer, der er blevet fundet indtil videre, er alle blevet fundet som isolerede stjerner, så deres eksistens i binære gamma-stråler blev ikke betragtet som en mainstream idé. Udover denne nye hypotese, holdet foreslår en kilde, der driver den ikke-termiske emission inde i LS 5039 - de foreslår, at emissionen er forårsaget af en vekselvirkning mellem magnetarens magnetfelter og tætte stjernevinde. Ja, deres beregninger tyder på, at gammastråler med energier på flere megaelektronvolt, hvilket har været uklart, kan udsendes kraftigt, hvis de produceres i et område med et ekstremt stærkt magnetfelt, tæt på en magnetar.

Disse resultater afgør potentielt mysteriet med hensyn til arten af ​​den kompakte genstand i LS 5039, og den underliggende mekanisme, der driver det binære system. Imidlertid, yderligere observationer og raffinering af deres forskning er nødvendig for at kaste nyt lys over deres resultater.