Astronomen hebben zojuist een al lang bestaand mysterie opgelost over een zeldzame, snel draaiende neutronenster genaamd PSR J1023+0038. Met behulp van NASA's IXPE-telescoop en een reeks observatoria ontdekten wetenschappers dat de intense röntgenstraling van het systeem niet afkomstig is van de gloeiende accretieschijf, zoals eerder werd gedacht, maar van de chaotische wind van hogesnelheidsdeeltjes die door de pulsar zelf worden weggegooid. De bevindingen dagen oude modellen uit en onthullen een enkel krachtig mechanisme achter pulsarstraling. Dit verandert dramatisch ons begrip van hoe dode sterren het universum nog steeds verlichten.

Een kunstenaarsdiagram van het centrale gebied van het PSR J1023+0038 binaire systeem, inclusief de pulsar, de binnenste accretieschijf en de pulsarwind. Beeldcredits: Marco Maria Messa, Universiteit van Milaan/INAF-OAB; Maria Cristina Baglio, INAF-OAB

Een wereldwijd team van astronomen heeft een belangrijke ontdekking gedaan over de manier waarop de energetische overblijfselen van exploderende sterren interageren met de omringende ruimte. Onderzoekers gebruikten NASA's IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), samen met verschillende andere observatoria, om nieuwe inzichten te verwerven in dit dynamische kosmische gedrag.

Deze wetenschappers uit de Verenigde Staten, Italië en Spanje concentreerden hun onderzoek op een mysterieus sterrensysteem genaamd PSR J1023+0038 (kortweg J1023). Het systeem beschikt over een snel roterende neutronenster die materiaal van een kleinere begeleidende ster absorbeert. Als gevolg hiervan vormt zich een accretieschijf van materiaal rond de neutronenster. De neutronenster fungeert ook als een pulsar en zendt tijdens zijn rotatie een intense stralingsbundel uit vanaf zijn magnetische polen, waardoor een patroon ontstaat dat lijkt op een vuurtoren die door de ruimte zweeft.

Wat de J1023 zo belangrijk maakt, is de mogelijkheid om tussen twee verschillende fasen te schakelen. Op een gegeven moment absorbeert de pulsar actief materiaal van zijn begeleidende ster. In een andere fase wordt het stiller en worden detecteerbare pulsen uitgezonden in de vorm van radiogolven. Vanwege dit gedrag classificeren astronomen het als een ‘transitionele millisecondepulsar’.

Artistieke illustratie van het IXPE-ruimtevaartuig in een baan om de aarde, gebruikt om hoogenergetische verschijnselen op lichtjaren afstand van de aarde te bestuderen. Bron afbeelding: NASA, bewerkt

‘Transitionele millisecondepulsars zijn kosmische laboratoria die ons helpen begrijpen hoe neutronensterren evolueren in binaire systemen’, zegt Maria Cristina Baglio, onderzoeker bij het Brera Observatorium van het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Melate (INAF), Italië, en hoofdauteur van een artikel in de Astrophysical Journal Letters waarin de nieuwe bevindingen worden beschreven.

De grootste vraag van wetenschappers over dit pulsarsysteem is: waar komen de röntgenstralen vandaan? De antwoorden zullen bredere theorieën opleveren over deeltjesversnelling, accretiefysica en de omgeving rond neutronensterren in het universum.

De bron van de straling verraste hen: röntgenstralen van pulsarwinden, een chaotisch mengsel van gas, schokgolven, magnetische velden en deeltjes versnelden bijna de snelheid van het licht en botsten tegen de accretieschijf.

Om dit te bepalen moeten astronomen de polarisatiehoeken van röntgenstralen en zichtbaar licht meten. Polarisatie is een maatstaf voor hoe georganiseerd lichtgolven zijn. Ze observeerden röntgenpolarisatie met behulp van IXPE, de enige telescoop die deze meting in de ruimte kon uitvoeren, en vergeleken deze met optische polarisatie bij de Very Large Telescope van de European Southern Observatory in Chili. IXPE, gelanceerd in december 2021, heeft veel waarnemingen van pulsars gedaan, maar J1023 is het eerste dergelijke systeem dat het heeft onderzocht.

NASA's Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) en Neil Grylls Swift Observatory hebben waardevolle observaties van het systeem in hoogenergetisch licht opgeleverd. Andere telescopen die gegevens bijdragen, zijn onder meer de Carl G. Jansky Very Large Array in Magdalena, New Mexico.

Het resultaat: wetenschappers ontdekten dat de polarisatiehoeken van verschillende golflengten hetzelfde waren. "Deze ontdekking is een sterk bewijs dat het licht dat we waarnemen wordt ondersteund door één enkel samenhangend fysiek mechanisme", zegt co-hoofdauteur Francesco Coti Zelati van het Instituut voor Ruimtewetenschappen in Barcelona, ​​Spanje.

De onderzoekers zeggen dat deze verklaring de conventionele kijk op neutronensterstraling in dubbelstersystemen in twijfel trekt. Eerdere modellen suggereerden dat de röntgenstralen afkomstig waren van accretieschijven, maar de nieuwe studie laat zien dat ze afkomstig zijn van pulsarwinden.

Pulsarwind als primaire energiemotor

"IXPE observeerde veel geïsoleerde pulsars en ontdekte dat pulsarwinden de röntgenstralen aandrijven", zegt Philip Kaaret, astrofysicus van NASA Marshall en hoofdonderzoeker van IXPE bij NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. "Deze nieuwe waarnemingen laten zien dat de pulsarwind een groot deel van de energieproductie van het systeem aandrijft."

Astronomen blijven overgangspulsars van milliseconden bestuderen en evalueren hoe hun waargenomen fysica zich verhoudt tot die van andere pulsars en pulsarwindnevels. Baglio en Cody Zelati zijn het erover eens dat deze waarnemingen zullen helpen bij het verfijnen van theoretische modellen die beschrijven hoe pulsarwinden straling produceren en onderzoekers dichter bij een volledig begrip zullen brengen van de fysica die aan het werk is in deze buitengewone kosmische systemen.

Samengesteld uit /scitechdaily