NASA’s Fermi onthult een “Transformerende” Pulsar

NASA’s Fermi onthult een “Transformerende” PulsarClick here for a high res image. Klik hier voor een hoge resolutie foto. 

Aan het einde van juni 2013 onderging een uitzonderlijk dubbelstersysteem met een snel roterende pulsar (neutronenster) een dramatische verandering in zijn gedrag. Terwijl de radiopulsen van de pulsar verdween, werd het systeem tegelijkertijd vijf keer sterker in gammastraling, de meest krachtige vorm van licht.

 

"Het is bijna net alsof iemand een schakelaar omzette, het systeem werd veranderd van een lager energieniveau naar een hoog energieniveau," zei Benjamin Stappers, astrofysicus aan de Universiteit van Manchester, Engeland. Hij leidde een internationaal gezelschap om deze opvallende transformatie te begrijpen. "De verandering lijkt een grillige interactie tussen de pulsar en zijn begeleidende ster, één die ons in staat stelt onderzoek te doen naar een zeldzame overgangsfase van deze dubbelstersysteem."

 

Het systeem, bekend als AY Sextantis, ligt op ongeveer 4,400 lichtjaar afstand in de constellatie Sextans. Het bevat een pulsar met een rotatie periode van slechts 1.7 milliseconde, genaamd PSR J1023+0038 (afgekort J1023) met een begeleidende ster van ongeveer één vijfde van de massa van de zon. De sterren leggen in slechts 4.8 uur een volledige ronde af, hierdoor komen zij zo dichtbij elkaar dat de pulsar zijn begeleider geleidelijk laat verdampen.

 

Wanneer een zeer massieve ster instort en explodeert als een supernova, kan zijn samengedrukte kern overleven als een compact overblijfsel. Dit heet een neutronenster of een pulsar, een object dat meer massa samendrukt dan de zon in een bol niet groter dan Amsterdam. Jonge geïsoleerde neutronensterren roteren tientallen keren per seconde en generen radiostraling, zichtbaar licht, röntgenstraling en gammastraling die astronomen telkens observeren als deze stralen langs de aarde zwiepen. Pulsars generen ook een krachtige uitstroom, ook wel "winds" genoemd, van hoge energie die bewegen met bijna de snelheid van het licht. De kracht voor dit alles komt van de pulsar's snel draaiende magnetische veld.

 

Meer dan 30 jaar geleden ontdekten astronomen een ander type pulsar, dit type roteerde binnen 10 milliseconden of minder, hierdoor werden roteer snelheden behaalt tot 43.000 rpm (rotaties per minuut). Terwijl een jonge pulsar normaal gesproken geïsoleerd is, verschijnt meer dan de helft van deze milliseconde pulsars in dubbelstersystemen. Dit zou de snelle rotatie kunnen verklaren.

 

"Astronomen hebben lang gedacht dat milliseconde pulsars werden opgesponnen door de overdracht en accumulatie van massa van de begeleidende ster, daardoor verwijzen wij vaak naar hen als gerecyclede pulsars," legt Anne Archibald uit, een postdoctoraal onderzoeker bij het Nederlands Instituut voor Radio Astronomie, ASTRON in Dwingeloo.

 

Tijdens de eerste massa-overdracht fase, zou het systeem geclassificeerd kunnen worden als een lage-massa röntgen binair, één die sterke röntgenstraling uitzend. Een miljard jaar later, als de stroom van materie stopt, zou het systeem geïdentificeerd kunnen worden als een opgesponnen milliseconde pulsar met radio uitstoot aangedreven door het snel roterende magnetisch veld.

 

Enkele maanden voordat J1023 zijn radiopulsen verloor en zijn gammastraling verrijkte, vonden astronomen een verder gelegen systeem dat meer schakelde tussen verschillende staten in slechts enkele weken. Gelegen in M28, een bolvormige sterrenhoop, ongeveer 19.000 lichtjaar bij ons vandaan onderging, in maart en april 2013, een pulsar bekend als PSR J1824-2452I een röntgen uitbarsting. Terwijl de emissie van de röntgen werd gedimd in mei, ontstonden de radiopulsen van de pulsar weer. Terwijl J1023 veel hogere energieën heeft bereikt en aanzienlijk dichterbij is, zijn beide dubbelstersystemen vrijwel gelijk.

 

In J1023 zijn de sterren dichtbij genoeg dat een stroom van gas vloeit van de zon achtige ster naar de pulsar. De snelle rotatie van de pulsar en zijn intense magnetische veld zijn zowel verantwoordelijk voor de radiopulsen als voor de krachtige pulsar wind. Als de radiopulsen detecteerbaar zijn, dan houdt de pulsar wind de gasstroom van zijn begeleider tegen, hierdoor wordt voorkomen dat hij te dichtbij komt. Maar zo nu en dan heeft de stroom pieken waardoor hij zichzelf dichterbij de pulsar duwt en waardoor een accretieschijf wordt opgericht.

 

Gas op de schijf wordt gecomprimeerd en verwarmd, hier worden temperaturen behaald die warm genoeg zijn om röntgenstraling uit te zenden. Vervolgens verliest materiaal dat aan de binnenrand van de schijf zit, snel orbitale energie en daalt naar de pulsar. Zodra het valt naar een hoogte van ongeveer 80 km, worden processen die betrokken zijn bij het creëren van de radiopulsen afgesloten of, waarschijnlijker, verduisterd.

 

De binnenste rand van de schijf fluctueert waarschijnlijk sterk op deze hoogte. Soms kan massa naar buiten accelereren met bijna de snelheid van het licht, zij vormen "jets" die in tegengestelde richting afgevuurd worden. Schokgolven binnen en langs de omtrek van deze jets zijn een waarschijnlijke bron van de heldere gammastraling gemeten door Fermi.

 

De bevindingen zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal van 20 juli. Het team meldt dat J1023 het eerste exemplaar is van een compacte, lage-massa gammastraal binair. De onderzoekers verwachten dat het systeem als een uniek laboratorium zal dienen om te begrijpen hoe de milliseconde pulsars zich vormen.

Credit: NASA's Goddard Space Flight Center

Download HD video and additional images from NASA Goddard's Scientific Visualization Studio http://svs.gsfc.nasa.gov/goto?11567

 

Paper: "A State Change In The Missing Link Binary Pulsar System PSR J1023+0038" http://iopscience.iop.org/0004-637X/790/1/39?rel=ref&relno=1

"With A Deadly Embrace, 'Spidery' Pulsars Consume Their Mates" (02.20.2014)
http://www.nasa.gov/content/goddard/with-a-deadly-embrace-spidery-pulsar...

Interactive: Fermi Pulsar Explorer
http://www.nasa.gov/externalflash/fermipulsar/

List of rotation- and accretion-powered millisecond pulsars
http://apatruno.wordpress.com/about/millisecond-pulsar-catalogue/

Afbeelding:
Op de afbeelding is een model van pulsar J1023 voor (boven) en na (onder), nadat de radio-emissie verdween. Normaal gesproken wendt de pulsar wind zich af als een gasstraal van zijn metgezel. Als de stroom aanzwelt dan vormt er een accretie schijf en de gammastralen jets (magenta) verdoezelen de radiostralen. 

Credit: NASA's Goddard Space Flight Center

Design: Kuenst.    Development: Dripl.    © 2020 ASTRON