En ny målerekord for det stærkeste magnetfelt i universet

Neutronstjerner har de stærkeste magnetfelter i universet, og den eneste måde at måle deres overflademagnetiske felt direkte på er at observere cyklotronens absorptionslinjer i deres røntgenenergispektre. Insight-HXMT-teamet har for nylig opdaget en cyklotronabsorptionslinje med en energi på 146 keV i neutronstjernen X-ray binær Swift J0243.6+6124, svarende til et overflademagnetisk felt på mere end 1,6 milliarder Tesla. Efter direkte måling af det stærkeste magnetfelt i universet på omkring 1 milliard Tesla i 2020, er verdensrekordene for den højeste energi-cyklotron-absorptionslinje og direkte måling af det stærkeste magnetfelt i universet blevet slået.

Resultaterne, der er opnået i fællesskab af nøglelaboratoriet for partikelastrofysik ved Institut for Højenergifysik (IHEP) ved det kinesiske videnskabsakademi og Institut for Astronomi og Astrofysik, Kepler Center for Astro- og Partikelfysik, Universitetet i Tübingen (IAAT) , blev offentliggjort den 28. juni i Astrophysical Journal Letters (ApJL). Dr. Kong Lingda, Prof. Zhang Shu og Prof. Zhang Shuangnan fra IHEP er de tilsvarende forfattere af papiret. Dr. Victor Doroshenko og prof. Andrea Santangelo fra universitetet i Tübingen bidrog væsentligt til opdagelsen.

Et neutronstjernerøntgen-binært system består af en neutronstjerne og dens følgestjerne. Under neutronstjernens stærke tyngdekraft falder ledsagestjernens gas mod neutronstjernen og danner en tilvækstskive. Plasmaet i tilvækstskiven vil falde langs magnetiske linjer til neutronstjernens overflade, hvor der frigives kraftig røntgenstråling. Sammen med neutronstjernens rotation resulterer sådanne emissioner i periodiske røntgenimpulssignaler, deraf navnet "Røntgentilvækstpulsar" for disse objekter.

Mange observationer har afsløret, at disse typer objekter har absorptionsstrukturer i deres røntgenstrålingsspektre, nemlig cyklotronabsorptionslinjer, som menes at være forårsaget af resonansspredning og dermed absorption af røntgenstråler af elektroner, der bevæger sig langs de stærke magnetfelter. Absorptionsstrukturens energi svarer til styrken af ​​overflademagnetfeltet i en neutronstjerne; derfor kan dette fænomen bruges til direkte at måle styrken af ​​magnetfeltet nær neutronstjernens overflade.

Ultraluminøse røntgenpulsarer er en klasse af objekter, hvis røntgenlysstyrke langt overstiger den for kanoniske røntgen-akkreterende pulsarer. De er tidligere blevet opdaget i flere galakser langt fra Mælkevejen. Astronomer har spekuleret i, at deres pulsarer har høje magnetiske feltstyrker, selvom der stadig mangler direkte målebevis.

Insight-HXMT lavede detaljerede og bredbåndsobservationer af udbruddet af Swift J0243.6+6124, Mælkevejens første ultraluminøse røntgenpulsar, og opdagede utvetydigt dens cyklotronabsorptionslinje. Denne linje afslørede energi op til 146 keV (med detektionssignifikans på omkring 10 gange standardafvigelsen), hvilket svarer til et overflademagnetfelt på mere end 1,6 milliarder Tesla. Dette er ikke kun det stærkeste magnetfelt, der er direkte målt i universet til dato, men også den første detektering af en elektroncyklotronabsorptionslinje i en ultraluminøs røntgenkilde, hvilket giver direkte måling af neutronstjernens magnetiske overflade på overfladen.

Det menes, at neutronstjernernes overflademagnetiske felter har komplekse strukturer, der spænder fra dipolfelter meget langt fra neutronstjernen til multipolfelter, der kun påvirker området tæt på neutronstjernen. De fleste tidligere indirekte estimater af neutronstjernernes magnetfelter har dog kun undersøgt dipolfelterne.

Denne gang er den direkte magnetiske feltmåling af Insight-HXMT baseret på cyklotronabsorptionslinjen omkring en størrelsesorden større end den, der er estimeret ved brug af indirekte midler. Dette tjener som det første konkrete bevis på, at en neutronstjernes magnetfeltstruktur er mere kompleks end den for et traditionelt symmetrisk dipolfelt, og det giver også den første måling af den ikke-symmetriske komponent af en neutronstjernes magnetfelt.

Insight-HXMT er den første kinesiske røntgenastronomisatellit. Det omfatter videnskabelig nyttelast, herunder et højenergiteleskop, mellemenergiteleskop, lavenergiteleskop og en rummiljømonitor. Insight-HXMT har fordele i forhold til andre røntgen-satellitter med hensyn til bredbånds (1-250 keV) spektral dækning, stort effektivt område ved høje energier, høj tidsopløsning, lav dødtid og ingen pile-up-effekter for lyse kilder, dermed åbner et nyt vindue op for observation af sorte huller, neutronstjerner med hårde røntgen-hurtige overgange og energispektrumundersøgelser.

I 2020 rapporterede Insight-HXMT-holdet påvisningen af ​​en 90 keV cyklotronabsorptionslinje fra en neutronstjerne i det binære røntgensystem GRO J1008-57, svarende til et magnetisk overfladefelt på 1 milliard Tesla, hvilket satte verdensrekord til direkte måling af universets stærkeste magnetfelt på det tidspunkt. Senere blev en ny rekord for en cyklotronabsorptionslinje - med dens højeste energi omkring 100 keV - detekteret af Insight-HXMT fra en anden neutronstjerne i 1A 0535+262. Insight-HXMT har demonstreret sin enestående kapacitet til at udforske energispektret ved at slå sine egne rekorder for opdagelser af cyklotronabsorptionslinjer. + Udforsk yderligere

Strongest magnetic field in universe directly detected by X-ray space observatory