Kameleontische pulsar tart theorie

Kameleontische pulsar tart theorieClick here for a high res image. Klik hier voor een hoge resolutie foto.

Een internationaal team onder leiding van Nederlandse sterrenkundigen (SRON, ASTRON, UvA) heeft een verrassende ontdekking gedaan over de manier waarop pulsars straling uitzenden. De uitstoot van radio- en röntgenstraling door deze pulserende neutronensterren blijkt binnen enkele seconden gelijktijdig te kunnen veranderen, op een manier die niet te verklaren is met de gangbare theorieën. Het duidt op een snelle verandering van de hele magnetosfeer. De waarnemingen zijn gedaan met onder andere de ruimtetelescoop XMM-Newton en de LOFAR-telescoop; de resultaten van het onderzoek verschijnen 25 januari in Science. 

Op deze illustratie is een pulsar te zien met heldere bundels radiostraling vanaf de magnetische polen. Bron: ESA/ATG medialab

Pulsars zijn neutronensterren met ongeveer de massa van de zon maar met een diameter van slechts circa 20 kilometer. Ze hebben een zeer sterk magneetveld, dat ongeveer een miljoen keer sterker is dan de sterkste velden die we in een laboratorium op aarde kunnen maken. Pulsars draaien snel om hun as, in milliseconden tot seconden, en zenden als vuurtorens bundels van straling de ruimte in. Als de aarde in de lijn van deze bundels ligt, is een regelmatig patroon van pulsen te zien. Vandaar de naam pulsars. Deze pulsars zijn in 1967 ontdekt aan de hand van hun radiostraling. Maar er is nog altijd geen overeenstemming over hoe precies die gepulste radiostraling wordt geproduceerd. We weten wel dat die ontstaat iets boven de magnetische polen, waar extreme omstandigheden heersen.

 

Bovendien is de puls niet altijd regelmatig. Eerdere waarnemingen van de radiostraling van pulsar PSR B0943+10 hebben bijvoorbeeld laten zien dat de bundel radiostraling van de pulsar om de paar uur in een paar seconden een factor twee helderder wordt of juist zwakker. Het is alsof de magnetosfeer van de pulsar in twee verschillende toestanden kan verkeren. Andere pulsars gaan zelfs plotseling helemaal uit en weer aan, of veranderen steeds op dezelfde manier de vorm van de radiopulsen. Sterrenkundigen weten nog niet wat de oorzaak is van deze fenomenen, maar zoeken de verklaring nu in een abrupte en omkeerbare verandering van de hele magnetosfeer.

Deze illustratie toont een pulsar met 'hot-spots' op de magnetische polen, waarschijnlijk de bron van röntgenstraling bij oude pulsars. De hier afgebeelde pulsar verkeert in een toestand waarin hij relatief veel röntgenstraling uitstoot vanaf de poolkappen, en relatief weinig radiostraling vanaf de magnetische polen (ESA/ATG medialab).


Twee "radiotoestanden"
Het team van sterrenkundigen wist dat de mogelijkheid bestond dat röntgenstraling van deze pulsars gelijktijdig zou veranderen met de omschakeling in radiostraling. Waarneming van de röntgenstraling in de twee 'radiotoestanden' van bijvoorbeeld PSR B0943+10 zou eindelijk inzicht kunnen geven in hoe het pulsarmechanisme werkt. PSR B0943+10 is echter een zwakke röntgenbron. Daarom vroeg sterrenkundige Wim Hermsen (SRON/UvA) namens het team waarneemtijd aan op XMM-Newton (ESA), op dit moment de gevoeligste ruimtetelescoop voor röntgenstraling.

Vanaf de grond bepaalden Joeri van Leeuwen en Jason Hessels (ASTRON/UvA) met LOFAR continue in welke radiotoestand de pulsar zich bevond. De LOFAR-telescoop is ontworpen en gebouwd door ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie, en het onderzoek werd ondersteund door het internationale LOFAR-team. Van Leeuwen: "Zelfs in de testfase waarin we LOFAR gebruikten, was deze radiotelescoop al de gevoeligste ter wereld voor deze pulsars. Alleen daardoor konden we op de seconde nauwkeurig bepalen wanneer de pulsar van karakter veranderde". Omdat de sterrenkundigen tijdens de röntgenwaarnemingen geen enkele toestandsovergang in de radiostraling mochten missen, werd ook simultaan met de GMRT-telescoop in India waargenomen.

Wim Hermsen: "Uit de waarnemingen bleek verrassend genoeg dat op het moment dat de radiostraling van de pulsar meer dan halveert, gelijktijdig twee maal zo veel röntgenstraling wordt uitgezonden, die ook nog alleen dan gepulst is. Lucien Kuiper (SRON) analyseerde de XMM-Newton-gegevens in detail. Hij toonde aan dat het lijkt alsof deze gepulste röntgenstraling van een hete plek op de magnetische pool komt, die verdwijnt zodra de radiostraling weer sterker wordt. Het opvallendste is dat deze gedaantewisseling binnen enkele seconden plaats vindt, waarna de pulsar in de nieuwe verschijning weer enkele uren een stabiele uitstoot van radio- en röntgenstraling vertoont. Dit gedrag kan niet worden verklaard met de bestaande theorieën over hoe straling in de magnetosfeer van pulsars wordt gevormd. Het is wel een sterke aanwijzing voor een snelle verandering van de hele magnetosfeer."

 

Deze illustratie toont de twee toestanden waartussen de pulsar PSR B0943+10 kan schakelen. De pulsar staat erom bekend dat hij in de uitstoot van radiostraling schakelt tussen een 'heldere' en een 'rustige' toestand. Gecombineerde waarnemingen met XXM-Newton en een aantal grondtelescopen (waaronder LOFAR) hebben nu aangetoond dat dat de pulsar ook gelijktijdig schakelt tussen twee versnellingen in de uitstoot van röntgenstraling, qua helderheid omgekeerd evenredig aan de uitstoot van radiostraling. De bestaande theorie kan dit niet verklaren; het duidt op een snelle verandering van de hele magnetosfeer (ESA/ATG medialab).

 

Kameleontisch gedrag
Dit totaal onverwachte, kameleontische gedrag van radiopulsar PSR B0943+10 geeft 45 jaar na de ontdekking van het bestaan van neutronensterren een nieuwe impuls aan het theoretisch onderzoek aan de natuurkundige processen die zich voordoen onder de extreme condities die heersen in de magnetosfeer van pulsars. Wim Hermsen heeft met zijn collega's direct nieuwe waarneemtijd toegewezen gekregen op XMM-Newton. Gelijktijdig met een aantal radiotelescopen (de Westerbork-, GMRT- en Lovell-telescoop in Engeland) kunnen de sterrenkundigen nu ook de pulsar PSR B1822-09 observeren, die bij radiogolflengten vergelijkbare toestandsveranderingen vertoont als PSR B0943+10.

Team
Het kernteam dat het onderzoek uitvoerde, bestaat uit Wim Hermsen (SRON Netherlands Institute for Space Research, Sterrenkundig Instituut Anton Pannekoek Universiteit van Amsterdam (UvA)), Lucien Kuiper en Jelle de Plaa (SRON), Jason Hessels en Joeri van Leeuwen (ASTRON en UvA), Dipanjan Mitra (NCFRA-TIFR, Pune, India), Joanna Rankin (University of Vermont, Burlington, VS), Ben Stappers (University of Manchester, UK), Goeffrey Wright (Unversity of Sussex, UK). De Pulsar Working Group en de Builders Group van de LOFAR-telescoop leverden ondersteuning voor de zeer gevoelige radiowaarnemingen. De onderzoeksresultaten verschijnen in het artikel "Synchronous X-ray and Radio Mode Switches: a Rapid Transformation of the Pulsar Magnetosphere", dat op 25 januari wordt gepubliceerd in Science.

 


 

Meer informatie

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Wim Hermsen (SRON), tel. 088-7775871/06-14547929, email w [dot] hermsen [at] sron [dot] nl, Femke Boekhorst (ASTRON), tel. 06 21 23 42 43, email boekhorst [at] astron [dot] nl, of Frans Stravers, woordvoerder SRON, tel. 06-52679395, email f [dot] stravers [at] sron [dot] nl.

 

Design: Kuenst.    Development: Dripl.    © 2020 ASTRON