Opierając się na nowym modelu teoretycznym, zespół naukowców zbadał bogate archiwum danych z obserwatoriów kosmicznych XMM-Newton i Chandra w celu znalezienia pulsujących emisji promieniowania X z trzech źródeł. Odkrycie, bazujące na wcześniejszych obserwacjach pulsarów w promieniach gamma, dostarcza nowatorskiego narzędzia do badania tajemniczych mechanizmów emisji pulsarów, które będą ważne dla zrozumienia tych fascynujących obiektów i wykorzystania ich w przyszłości w kosmicznej nawigacji.
Latarnie Wszechświata – pulsary – są szybko rotującymi gwiazdami neutronowymi, które emitują wiązki promieniowania. Gdy pulsar obraca się, a wiązki naprzemiennie zbliżają się i oddalają od Ziemi, źródło oscyluje między jaśniejszymi i ciemniejszymi stanami, dając sygnał, który wydaje się „pulsować” z okresem kilka milisekund do sekund, a ich regularność rywalizuje nawet z zegarami atomowymi.
Pulsary są niesamowicie gęstymi, niezwykle magnetycznymi reliktami masywnych gwiazd i należą do najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie. Opisanie, w jaki sposób zachowują się cząsteczki w tak silnym polu magnetycznym, ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia, jak materia i pola magnetyczne oddziałują bardziej ogólnie.
Pierwotnie wykryto je dzięki emitowanych przez nie falom radiowym, ale obecnie wiemy, że pulsary emitują również inne rodzaje promieniowania, choć zwykle w mniejszych ilościach. Część tej emisji to standardowe promieniowanie cieplne – wytwarzane przez wszystko o temperaturze powyżej zera absolutnego. Pulsary wyzwalają promieniowanie cieplne na przykład gdy gromadzą materię od innej gwiazdy.
Ale pulsary emitują także inne promieniowanie, które często powstaje w najbardziej ekstremalnych środowiskach kosmicznych. Promieniowanie inne niż cieplne może być w nich wytwarzane za pomocą dwóch procesów: promieniowania synchrotronu i promieniowania krzywiznowego. Obydwa procesy generują naładowane cząstki, które są przyspieszane wzdłuż linii pola magnetycznego, co powoduje emisję promieniowania mogącą zmieniać się w zakresie długości fal od radiowych do promieniowania gamma.
Promieniowanie nietermiczne wynika głównie z promieniowania synchrotronowego, podczas gdy promieniowanie gamma może przechodzić z tak zwanej emisji synchro-krzywiznowej – kombinacji dwóch powyższych mechanizmów. Stosunkowo łatwo jest znaleźć pulsary, które emitują promieniowanie gamma – Kosmiczny Teleskop Fermiego (FSP) wykrył ponad 200 z nich w ciągu ostatniej dekady, dzięki możliwości skanowania całego nieba. Ale stwierdzono, że tylko około 20 pulsuje w nietermicznych promieniach rentgenowskich.
Mając świadomość, że powinno być wiele pulsarów emitujących wcześniej niewykryte nietermiczne promieniowanie X, Diego Torres z Institute of Space Sciences w Barcelonie opracował model, który łączy promieniowanie synchrotronowe i krzywiznowe, aby przewidzieć, czy pulsary wykryte w promieniach gamma mogą również pojawić się w promieniach rentgenowskich.
Model opisuje emisję gamma pulsarów wykrytych przez FSP – w szczególności jasność obserwowaną na różnych długościach fali – i łączą tę informację z trzema parametrami, które określają emisję pulsara. Pozwala to przewidzieć ich jasność na innych długościach fali, na przykład w promieniowaniu X.
Torres nawiązał współpracę z zespołem naukowców pod kierownictwem Jian Li z Deutsches Elektronen Synchrotron w Zeuthen koło Berlina, aby wybrać trzy znane pulsary emitujące promieniowanie gamma, po których spodziewano się, w oparciu o modele, że świecą jasno także w promieniowaniu X. Badacze przejrzeli archiwa danych z XMM-Newton i Chandra, aby znaleźć dowody na nietermiczną emisję promieniowania rentgenowskiego pochodzącego od każdego z nich.
Zespół nie tylko odkrył pulsacje rentgenowskie ze wszystkich trzech obiektów, ale także to, że widmo promieni X było prawie takie, jak przewidywał model. Oznacza to, że model bardzo dokładnie opisuje procesy emisji w pulsarze. W szczególności dane XMM-Newton pokazały wyraźną emisję promieniowania rentgenowskiego z PSR J1826-1256 – radiowo cichego pulsara gamma z okresem 110,2 milisekundy. Widmo światła otrzymane z tego pulsara było bardzo bliskie spektrum przewidywanemu przez model. Emisja promieniowania X z pozostałych dwóch pulsarów (obydwa rotują nieco szybciej) została pokazana przy użyciu danych z teleskopu Chandra.
Odkrycie to skutkuje znaczącym wzrostem całkowitej liczby pulsarów, o których wiadomo, że emitują nietermiczne promieniowanie rentgenowskie. Zespół Torresa i Li spodziewa się, że w ciągu najbliższych kilku lat zostanie odkrytych o wiele więcej tych obiektów, ponieważ model można wykorzystać do dokładnego ich wyszukiwania.
Znalezienie kolejnych pulsarów rentgenowskich jest ważne dla ukazania ich właściwości globalnych, w tym charakterystyki populacji. Lepsze zrozumienie pulsarów to perspektywa precyzyjniejszej nawigacji kosmicznej. To krok w kierunku zrozumienia zależności między emisją pulsarów w różnych częściach widma elektromagnetycznego, co umożliwia przewidywanie jasności pulsara na dowolnej długości fali – a to z kolei pomoże nam lepiej zrozumieć wzajemne oddziaływanie między cząsteczkami i polami magnetycznymi w pulsarach i poza nimi.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej:
From Gamma Rays to X-rays: New Method Pinpoints Previously Unnoticed Pulsar Emission
Źródło: ESA
Na zdjęciu: Podgląd z obserwatorium XMM-Newton na pulsara J1826-1256. Źródło: ESA/XMM-Newton/J. Li, DESY, Niemcy
