Od promieniowania gamma do promieniowania rentgenowskiego: nowa metoda wyznaczania emisji pulsarów

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, opierające się 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. Zrozumienie, 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 poprzez emisję fal radiowych, ale obecnie pulsary emitują również inne rodzaje promieniowania, choć zwykle w mniejszych ilościach. Część tej emisji to standardowe promieniowanie cieplne – takie, które emituje wszystko o temperaturze powyżej zera absolutnego. Pulsary wyzwalają promieniowanie cieplne na przykład gdy gromadzą materię od innej gwiazdy.

Ale pulsary emitują także promieniowanie nietermiczne, które często powstaje w najbardziej ekstremalnych środowiskach kosmicznych. W pulsarach promieniowanie nietermiczne może być wytworzone za pomocą dwóch procesów: promieniowania synchrotronu i promieniowania krzywiznowego. Obydwa procesy obejmują 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 mechanizmów. Stosunkowo łatwo jest znaleźć pulsary, które emitują promieniowanie gamma – Kosmiczny Teleskop Fermiego 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 teleskop Fermiego – 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, w stosunku do których oczekiwano, w oparciu o modele, że świecą jasno także w promieniowaniu X. 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 samo, 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 stanowi już znaczący wzrost całkowitej liczby pulsarów, o których wiadomo, że emitują nietermiczne promieniowanie rentgenowskie. Zespół 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 jest również istotne dla potencjalnego wykorzystania ich dokładnych sygnałów czasowych do przyszłych działań nawigacji kosmicznej.

Rezultatem jest krok w kierunku zrozumienia zależności między emisją pulsarów w różnych częściach widma elektromagnetycznego, umożliwiając w ten sposób przewidywanie jasności pulsara na dowolnej długości fali. To pomoże nam lepiej zrozumieć wzajemne oddziaływanie między cząsteczkami i polami magnetycznymi w pulsarach i poza nimi.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
ESA

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.