Ein internationales Forscherteam unter der Leitung des National Institute for Astrophysics (INAF) hat es herausgefunden die Existenz eines Zusammenhangs zwischen thermonuklearen Röntgenexplosionen, die auf der Oberfläche akkretierender Neutronensterne auftreten, und den starken Jets, die von diesen Quellen emittiert werden. Die Forscher haben außerdem zum ersten Mal direkt die Geschwindigkeit eines Jets gemessen und so unser Verständnis seines Startmechanismus verbessert. Die Ergebnisse wurden gerade in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur.
Neutronensterne sind die Überreste massereicher Sterne, deren Entwicklung mit einer Supernova-Explosion endete. Diese Himmelskörper zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine enorme Masse auf ein sehr kleines Volumen komprimiert haben – weshalb sie auch als kompakte Objekte bezeichnet werden – und können ihre gesamte Existenz in Einsamkeit verbringen, sich aber auch in sogenannten Röntgendoppelsternen paaren (Röntgen-Binärdateien, auf Englisch). Hierbei handelt es sich um astrophysikalische Systeme, in denen ein Neutronenstern (oder ein Schwarzes Loch) Materie vom unglücklichen Begleitstern anzieht und diese zu seinem Vorteil nutzt, um in einem Prozess, der als Akkretion bezeichnet wird, die Masse zu erhöhen.
Eine Folge dieses Prozesses ist die Ansammlung großer Materiemengen auf der Oberfläche des Neutronensterns. Mit fortschreitender Akkumulation kann diese Materie Temperatur- und Dichtewerte erreichen, die starke thermonukleare Explosionen auslösen, die denen von Wasserstoffbomben ähneln: plötzliche und helle Blitze von Röntgenlicht, die zwischen 10 und 100 Sekunden dauern und als Bursts bezeichnet werden Ich, das greifbare Zeichen einer großen Mahlzeit.
Trotz ihrer Gier wird nicht die gesamte anwachsende Materie vom Neutronenstern verschlungen: Ein Teil wird tatsächlich in Form mächtiger gebündelter Materieausflüsse in den Weltraum geschleudert, die auch im Radioband des elektromagnetischen Spektrums zu beobachten sind: die so- sogenannte Jets.
Diese Jets werden seit den 1970er Jahren von allen Neutronenstern- oder Schwarzen-Loch-Binärsystemen abgefeuert und untersucht. Es gibt jedoch noch viele offene Fragen dazu. Wie werden sie eigentlich eingeführt? Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem Wachstumsprozess eines kompakten Objekts und der Emission dieser Jets? Und noch einmal: Wie schnell werden sie eingeführt?
Dank einer komplexen Kampagne von Radio- und X-Band-Beobachtungen hat ein internationales Team unter der Leitung von Forschern des INAF in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der Universität Amsterdam und der Texas Tech University dies nun erst dort entdeckt Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen thermonuklearen Explosionen und Jets, aber er maß zum ersten Mal die Geschwindigkeit dieser Jets, einen grundlegenden Parameter für das Verständnis ihres Startmechanismus.
„Akkretierende kompakte Objekte (Schwarze Löcher und Neutronensterne) sind im Universum allgegenwärtig“, sagt er Thomas RussellForscher am INAF in Palermo mit a Inaf-Stipendium für Astrophysik (IAF) und Erstautor der Studie. „Diese Objekte“, fährt Russell fort, „sind keine einfachen Einwegstaubsauger. Ein Teil der einströmenden Materie wird tatsächlich in Form schneller, konzentrierter Ausströme von Materie und Energie, sogenannten Jets, herausgeschossen. Diese Jets können sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit nach außen ausbreiten und dabei enorme Energiemengen an die Umgebung abgeben, die die Sternentstehung beeinflussen können. Trotz ihrer Bedeutung wissen wir derzeit jedoch nicht, wie diese Jets gestartet werden. Unsere Studie liefert ein völlig neues Werkzeug zur Beantwortung dieser wichtigen Frage, die bisher unbeantwortet blieb.“
Bei den untersuchten Neutronensternen handelt es sich um die der Röntgendoppelsysteme 4U 1728-34 und 4U 1636-536, die beide häufige Röntgenausbrüche vom Typ I aufweisen. Für jede der beiden Quellen führten die Forscher gleichzeitige Beobachtungen im X durch -Strahlung und Radium. Die X-Band-Beobachtungen, die den Akkretionsfluss des Neutronensterns verfolgen, wurden mit dem Satelliten INTEGRAL der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) durchgeführt. Die Überwachung des Funkbands, die es uns ermöglicht, die Emission der Jets zu untersuchen, wurde mit dem Australia Telescope Compact Array (ATCA) durchgeführt, einem Array aus sechs Radioantennen am Paul Wild Observatory in Australien, das von der Australian National Science Agency verwaltet wird ( CSIRO).
Ziel der Forscher war es, etwaige Veränderungen der Radioemission nach dem Auftreten von Röntgenblitzen vom Typ I zu identifizieren. Und sie fanden sie: Erhöhungen der Radiohelligkeit, genannt Fackelwurden innerhalb von Minuten nach jeder einzelnen thermonuklearen Explosion beobachtet.
Wenn man alle Teile des Puzzles zusammenfasst, kommt man zu dem Schluss, dass die Entwicklung der Jets eng mit diesen Explosionen zusammenhängt.
„Dank der Fähigkeit von INTEGRAL, ein Himmelsobjekt etwa drei Tage lang ununterbrochen zu beobachten, haben wir vierzehn von 4U 1728-34 emittierte Röntgenblitze erfasst, wodurch wir erstmals deren Auswirkungen auf die Entwicklung von Radiojets bestimmen konnten“, betont er aus Erik Kuulkers, ehemaliger Projektwissenschaftler der INTEGRAL-Mission bei der ESA und Co-Autor der Studie. „Wir wussten wirklich nicht, was uns erwarten würde. Wir dachten zunächst, dass die Auswirkungen dieser Explosionen auf die Jets minimal seien. Unsere Beobachtungen zeigen jedoch einen dramatischen Effekt, bei dem die Ausbrüche die Helligkeit der Jets erhöhen, indem sie zusätzliche Materie in sie pumpen.“
In der Studie gelang es den Forschern auch, die Geschwindigkeit der Jets des 4U-Binärsystems 1728-34 durch Beobachtungen bei zwei verschiedenen Radiofrequenzen zu messen: 5,5 und 9 Gigahertz (GHz). Höhere Frequenzen kommen aus Regionen des Jets, die näher am Neutronenstern liegen, während niedrigere Frequenzen aus weiter entfernten Regionen kommen.
„Weil wir genaue Messungen der Ankunftszeiten beider haben Melania Del Santo, Forscher am INAF in Palermo und Co-Autor der Publikation. „Im Fall von 4U 1728-34 beträgt diese Geschwindigkeit 0,38 c oder ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit, was etwa 114.000 Kilometern pro Sekunde entspricht. Das ist eine hohe Geschwindigkeit, aber deutlich geringer als die von Jets in Doppelsternsystemen mit Schwarzen Löchern, deren geschätzter Wert sogar über 0,9 c” liegen kann.
Die Entdeckung, dass Röntgenausbrüche vom Typ I die Entwicklung von Jets und die Bestimmung der Geschwindigkeit dieser Ausströme beeinflussen, bietet eine völlig neue und robuste Möglichkeit, ihren Ausstoßmechanismus zu verstehen, der derzeit noch nicht vollständig verstanden ist. Weitere Studien werden es uns ermöglichen zu verstehen, ob der Startmechanismus auf der Rotation des Neutronensterns oder auf der Rotation seiner Akkretionsscheibe basiert.
„Da wir nun über eine robuste Methode zur Messung der Geschwindigkeit der Jets verfügen, können wir dieses Experiment in binären Systemen durchführen, in denen Neutronensterne unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten, Massen und Magnetfelder haben“, schließt Russell. „Mit mehr als 120 Neutronensternen in unserer Galaxie, von denen wir wissen, dass sie Röntgenblitze vom Typ I erzeugen, können wir den Mechanismus bestimmen, der den Start dieser Jets antreibt, indem wir ihre Geschwindigkeit mit den Eigenschaften des Doppelsternsystems vergleichen.“
Für weitere Informationen:
Der Artikel „Thermonukleare Explosionen auf Neutronensternen verraten die Geschwindigkeit ihrer Jets“von Thomas D. Russell, Nathalie Degenaar, Jakob van den Eijnden, Thomas Maccarone, Alexandra J. Tetarenko, Celia Sánchez-Fernández, James CA Miller-Jones, Erik Kuulkers und Melania Del Santo, wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
