Przejdź do treści

Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma z układu podwójnego gwiazd

Nowe odkrycie naukowców może pretendować do tytułu najbardziej niezwykłego, ogromnej klasy obiektu astronomicznego: para masywnych neutronowych gwiazd podwójnych emitujących promieniowanie gamma o bardzo wysokiej energii (Very High Energy – VHE). Spośród stu miliardów gwiazd w naszej galaktyce, mniej niż dziesięć układów podwójnych emitujących promieniowanie gamma, a ten odkryty teraz jest drugim, w którym występuje gwiazda neutronowa. Emisja promieniowania została wykryta podczas zdarzenia, które nie powtórzy się do 2067 roku.

Gwiazda neutronowa to gęsta pozostałość po supernowej, wybuchowej śmierci gwiazdy, która rozpoczęła swoje życie z masą powyżej ośmiu Słońc. Mając masę Słońca ale średnicę zaledwie miasta, gwiazdy neutronowe są tak gęste, że większość ich materii na postać neutronów. Gwiazdy neutronowe szybko wirują i wytwarzają potężne pola magnetyczne, szybkie wiatry i wąskie wiązki, które przeczesują niebo niczym latarnia morska. Jeżeli Ziemia znajdzie się na drodze jednej z takich wiązek, astronomowie mogą wykryć promieniowanie jako regularne impulsy na falach radiowych oraz na innych długościach. Znanych jest kilka tysięcy takich „pulsarów”, rotujących z prędkościami od ponad tysięcy razy na sekundę do mniej niż raz na sekundę.

Powszechne jest, że masywne gwiazdy tworzą się w układach podwójnych, a zatem nie jest zaskakujące, że niektóre pulsary mają towarzysza, który przetrwał wybuchową śmierć partnera. Zarówno pulsar jak i jego towarzysz mogą mieć otaczające je dyski materii. Szybko rotujący pulsar i jego wiatr mogą w niektórych przypadkach uderzyć w dysk i wiatr gwiezdnego towarzysza, podczas gdy obaj zbliżają się okresowo do siebie. Energetyczne zderzenia mogą wytworzyć silne wstrząsy, które przyspieszają naładowane cząstki do energii wystarczająco wysokich, aby wytworzyć promieniowanie gamma o bardzo wysokiej energii (VHE), przyspieszając cząsteczki do niemal prędkości światła. Gdy światło rozprasza takie cząsteczki energetyczne, ono także robi się energetyczne, stając się fotonami gamma VHE, z których każdy może zgromadzić miliardy razy więcej energii, niż foton światła optycznego. Dokładne taktowanie impulsów radiowych pozwala astronomom wykorzystać te sygnały do wyprowadzania pewnych parametrów gwiazd i ich orbit. Chociaż istnieje wiele pulsarów, do tej pory większość wyjaśnień stanowiła spekulacja, z tylko jednym znanym przykładem układu podwójnego pulsarów wykazującego emisję promieniowania gamma VHE.

Międzynarodowy zespół astronomów rozpoczął intensywne śledzenie drugiego, prawdopodobnego układu podwójnego pulsara gamma VHE w 2016 roku. Znajdujący się w odległości około 5000 lat świetlnych w masywnym gwiezdnym żłobku, w kierunku konstelacji Łabędzia, pulsar został zidentyfikowany jako posiadający masywnego gwiezdnego towarzysza, który okrąża go co 50 lat po ekstremalnie eliptycznej orbicie. Astronomowie spodziewali się, że podczas ich najmniejszego zbliżenia znajdą się w odległości 1 jednostki astronomicznej od siebie, a z obliczeń wynika, że nastąpiło to 13 listopada 2017 roku.

Astronomowie CfA Wystan Benbow, Gareth Hughes i Michael Daniel przeprowadzili bezpośrednie działania VERITAS i umożliwili współpracownikom VERITAS uczestnictwo w programie do monitorowania zachowania tego dziwnego obiektu przed, po i w podczas oczekiwanego największego zbliżenia. VERITAS to zestaw czterech teleskopów optycznych o średnicy 12 metrów umieszczonych Fred Lawrence Whipple Observatory koło Tucson w Arizonie. VERITAS wykrywa promieniowanie gamma za pomocą promieniowania Czerenkowa, które powstaje, gdy promienie gamma są absorbowane w ziemskiej atmosferze. Współpracownicy VERITAS to około 80 naukowców z 20 instytucji w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Niemczech i Irlandii. Do naukowców VERITAS dołączył zespół wykorzystujący dwa 17-metrowe teleskopy Czerenkowa – MARGE, znajdujące się w El Roque de Los Muchachos na wyspie La Palma w Hiszpanii. 

Ponieważ układ podwójny jest osadzony w większym, rozproszonym obszarze promieniowania gamma VHE, międzynarodowy zespół astronomów czekał z niecierpliwością na zdarzenie, aby zobaczyć, czy emisja promieniowania pojaśniała w pobliżu pulsara. 

Wstępne obserwacje w 2016 roku ujawniły słabą emisję promieniowania gamma, zgodną z wcześniejszymi wynikami. „Ta niska, stała emisja najprawdopodobniej pochodzi z mgławicy, która jest stale zasilana przez pulsar” – wyjaśnia dr Ralph Bird. Od września 2017 roku wyniki stały się znacznie bardziej ekscytujące. „Strumień promieniowania gamma, który zaobserwowaliśmy we wrześniu, był dwukrotnie wyższy od poprzedniej wartości” – mówi Tyler Williamson. Ale fajerwerki dopiero się zaczynały. „Podczas największego zbliżenia gwiazdy z pulsarem, w listopadzie 2017 r. strumień wzrósł dziesięciokrotnie w ciągu nocy.”

Próbując wyjaśnić nie tylko siłę promieniowania gamma, ale także jego stopniową zmienność, a następnie gwałtowny rozbłysk, zespół próbował dopasować do ich obserwacji niedawny model teoretyczny. Model zawiera najnowsze pomysły dotyczące pulsarów, środowiska dysku i wiatru układu podwójnego, natury zjonizowanej mgławicy wokół obiektu, widma emisji, i próbuje udoskonalić parametry orbitalne układu podwójnego. Nie udało się, więc naukowcy doszli do wniosku, że modele wymagają znacznej korekty w celu dopasowania obserwacji, w tym lepszej informacji o geometrii zbliżenia. Ponieważ informacje o strukturze dysków i wiatrów wokół pulsarów zależą od wielu różnych, ale kluczowych parametrów, takich jak siła pola magnetycznego i historia środowiska, ten obiekt – jeżeli uda się go z powrotem modelować – jest oferowany jako potencjalny Kamień Rosetta o narodzinach i ewolucji zwartych obiektów, a więc obejmuje wszystkie zwarte obiekty wytworzone z supernowych, pulsarów bez towarzyszy a nawet wiele układów podwójnych czarnych dziur. W nadchodzących latach naukowcy planują kontynuować monitorowanie tego i innych pulsarów, kontrolować egzotyczne zachowanie tych najbardziej niezwykłych i ekstremalnych obiektów kosmicznych.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Once-In-A-Lifetime Observations by Veritas Astronomers Reveal High Energy Gamma-Rays from a Binary Star System

Źródło: CfA

Na zdjęciu: VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) w Fred Lawrence Whipple Observatory w południowej Arizonie. Źródło: John Quinn