Pulsujące promieniowanie gamma z gwiazdy neutronowej wirującej 707 razy na sekundę

Drugi znany najszybciej rotujący pulsar radiowy jest także pulsarem gamma.

Międzynarodowy zespół badawczy odkrył, że pulsar radiowy J0952-0607 emituje również pulsacyjne promieniowanie gamma. J0952-0607 wiruje 707 razy w ciągu jednej sekundy i zajmuje drugie miejsce na liście szybko rotujących gwiazd neutronowych. Analizując dane pochodzące z kosmicznego teleskopu Fermiego promieniowania gamma z 8,5 roku, obserwacji radiowych z LOFAR z ostatnich dwóch lat, z obserwacji z dwóch dużych teleskopów optycznych oraz dane fal grawitacyjnych z detektorów LIGO zespół zbadał szczegółowo układ podwójny złożony z pulsara i jego lekkiego towarzysza. Ich badanie pokazuje, że ekstremalne układy pulsarów ukrywają się w katalogach Fermiego i motywują do dalszych poszukiwań. Analiza jest bardzo obszerna ale rodzi również nowe pytania na temat tego układu.

Pulsary są zwartymi pozostałościami gwiezdnych eksplozji, które mają silne pola magnetyczne i szybko wirują. Emitują promieniowanie kosmiczne niczym latarnia morska i mogą być obserwowane jako pulsary radiowe i/lub pulsary gamma, w zależności od ich orientacji w stosunku do Ziemi.

Najszybszy pulsar poza gromadami kulistymi

PSR J0952-0607 (nazwa oznaczająca położenie na niebie) został po raz pierwszy odkryty w 2017 r. podczas radiowych obserwacji źródła zidentyfikowanego przez kosmiczny teleskop Fermiego jako prawdopodobny pulsar. W danych z Large Area Telescope (LAT) na pokładzie Fermiego nie wykryto pulsacji promieniowania gamma. Obserwacje za pomocą sieci radioteleskopów LOFAR zidentyfikowały pulsujące źródło radiowe i – wraz z obserwacjami z teleskopu optycznego – pozwoliły zmierzyć niektóre właściwości pulsara. Okrąża on wspólny środek masy w czasie 6,2 godziny wraz z gwiazdą towarzyszącą, która waży zaledwie 50 mas Słońca. Pulsar wiruje 707 razy na sekundę co czyni go najszybciej rotującym w naszej galaktyce poza gęstym środowiskiem gwiazdowym gromad kulistych.

Poszukiwanie bardzo słabych sygnałów

Korzystając z wcześniejszych informacji na temat tego układu podwójnego pulsarów, Lars Nieder, doktorant w AEI Hannover, postanowił sprawdzić, czy pulsar emituje również pulsacyjne promienie gamma. „To poszukiwanie jest niezwykle trudne, ponieważ teleskop Fermiego zarejestrował jedynie odpowiednik około 200 promieni gamma ze słabego pulsara w ciągu 8,5 lat obserwacji. W tym czasie sam pulsar obrócił się 220 mld razy. Innymi słowy tylko raz na miliard obrotów zaobserwowano promień gamma! Dla każdego z tych promieni gamma badanie musi dokładnie określić, kiedy podczas każdego z 1,4 milisekundowych obrotów został on wyemitowany” – wyjaśnia Nieder.

Wymaga to przeszukiwania danych z bardzo dokładną rozdzielczością, aby nie przegapić żadnego możliwego sygnału. Wymagana jest ogromna moc obliczeniowa. Bardzo czułe poszukiwanie słabych pulsacji promieniowania gamma zajęłoby 24 lata na komputerze jednordzeniowym. Dzięki zastosowaniu klastra komputerowego Atlas w AEI Hannover zakończyło się zaledwie w 2 dni.

Dziwna pierwsza detekcja

„Nasze wyszukiwanie znalazło sygnał, ale coś było nie tak! Sygnał był bardzo słaby i znajdował się niezupełnie tam, gdzie powinien. Powód: nasze wykrycie promieni gamma z J0952-0607 ukazało błąd w pozycji początkowych obserwacji za pomocą teleskopu optycznego, które wykorzystaliśmy do ukierunkowania naszej analizy. Nasze odkrycie pulsacji promieniowania gamma spowodowało dość słabe – ale istotne statystycznie – odkrycie pulsara gamma w skorygowanej pozycji.”

Po odkryciu i potwierdzeniu istnienia pulsującego promieniowania gamma z pulsara zespół powrócił do danych z Fermiego i wykorzystał całe z 8,5 roku od sierpnia 2008 r. do stycznia 2017 roku do określenia parametrów fizycznych pulsara i jego układu podwójnego. Ponieważ promieniowanie gamma z J0952-0607 było tak słabe, musieli udoskonalić opracowaną wcześniej metodę analizy, aby poprawnie uwzględnić wszystkie niewiadome.

Kolejna niespodzianka: brak pulsacji gamma przed lipcem 2011

Wprowadzone rozwiązanie zawierało kolejną niespodziankę, ponieważ niemożliwe było wykrycie pulsacji promieniowania gamma z pulsara w danych sprzed lipca 2011 r. Powód, dla którego pulsar wydaje się pulsować dopiero po tej dacie, jest nieznany. Różnice w ilości emitowanych promieni gamma mogą być jednym z powodów, ale pulsar jest tak słaby, że nie można było przetestować tej hipotezy z wystarczającą dokładnością. Zmiany na orbicie pulsara widoczne w podobnych układach mogą również stanowić wyjaśnienie, ale w danych nie było nawet wskazówki, że tak się dzieje.

Obserwacje optyczne rodzą dalsze pytania

Zespół wykorzystał również obserwacje wykonane za pomocą teleskopu NTT ESO znajdującego się w Obserwatorium La Silla oraz Gran Telescopio Canarias na La Palmie, aby zbadać gwiezdnego towarzysza pulsara. Najprawdopodobniej jest ona związana pływowo z pulsarem, jak Księżyc z Ziemią, tak że jedna strona zawsze jest zwrócona w kierunku pulsara i nagrzewana przez jego promieniowanie. Podczas gdy towarzysz okrąża wspólny środek masy układu podwójnego, jego gorąca „dzienna” strona i chłodniejsza „nocna” strona są widoczne z Ziemi, a obserwowana jasność i barwa się różnią.

Obserwacje te ukazują kolejną zagadkę. Podczas gdy obserwacje radiowe wskazują na odległość 4400 lat świetlnych do pulsara, obserwacje optyczne sugerują odległość trzykrotnie większą. Gdyby układ znajdował się stosunkowo blisko Ziemi, zawierałby niespotykanego dotąd niezwykle kompaktowego towarzysza o wysokiej gęstości, podczas gdy większe odległości są zgodne z gęstością znanych podobnych towarzyszy pulsara. Wyjaśnieniem tej rozbieżności może być istnienie fal uderzeniowych w wietrze cząsteczek z pulsara, co może prowadzić do innego nagrzewania towarzysza. Więcej obserwacji promieniowania gamma za pomocą LAT Fermiego powinno pomóc odpowiedzieć na to pytanie.

Poszukiwanie ciągłych fal grawitacyjnych

Inna grupa naukowców szukała ciągłej emisji fali grawitacyjnej z pulsara przy użyciu danych z LIGO. Pulsary mogą emitować fale grawitacyjne, gdy mają niewielkie nierówności. Badanie nie wykryło żadnych fal grawitacyjnych, co oznacza, że kształt pulsara musi być bardzo zbliżony do idealnej kuli z najwyższymi nierównościami mniejszymi niż ułamek milimetra.

Szybko wirujące gwiazdy neutronowe

Zrozumienie szybko wirujących pulsarów jest ważne, ponieważ są to próbniki ekstremalnej fizyki. Szybkość wirowania gwiazd neutronowych przed rozerwaniem się w wyniku działania sił odśrodkowych jest nieznana i zależy od nieznanej fizyki jądrowej. Pulsary milisekundowe, takie jak J0952-0607, wirują szybko, ponieważ zostały rozkręcone przez akrecję materii od swojego towarzysza. Uważa się, że proces ten zmniejsza pole magnetyczne pulsara. Dzięki długoterminowym obserwacjom promieniowania gamma zespół badawczy wykazał, że J0952-0607 ma jedno z dziesięciu najniższych pól magnetycznych mierzonych kiedykolwiek dla pulsara, zgodnie z oczekiwaniami teorii.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
MPG

Dodaj komentarz

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