När massiva stjärnor når slutet av sin livscykel exploderar de i en massiv supernova och kastar bort det mesta av deras material. Det som finns kvar är en "milliscond pulsar", en supertät, högmagnetiserad neutronstjärna som snurrar snabbt och avger strålar av elektromagnetisk strålning. Så småningom förlorar dessa stjärnor sin rotationsenergi och börjar sakta ner, men de kan snabba upp igen med hjälp av en följeslagare.
Enligt en ny studie, bevittnade ett internationellt team av forskare denna sällsynta händelse när man observerade en ultralång pulsar belägen i den angränsande Andromeda Galaxy (XB091D). Resultaten av deras studie indikerade att denna pulsar har påskyndats under en miljon år, vilket troligen är resultatet av en fångad kompanjon som sedan har återställt sin snabba rotationshastighet.
Typiskt, när en pulsars parar ihop med en vanlig stjärna, är resultatet ett binärt system som består av en pulsar och en vit dvärg. Detta inträffar efter att pulsaren har dragit av de yttre lagren av en stjärna och förvandlat den till en vit dvärg. Materialet från dessa yttre skikt bildar sedan en ackretionsskiva runt pulsaren, vilket skapar en "hot spot" som strålar ljust i röntgenspektumet och där temperaturer kan nå miljoner grader.
Laget leddes av Ivan Zolotukhin från Sternberg Astronomical Institute vid Lomonosov Moskva State University (MSU) och inkluderade astronomer från University of Toulouse, National Institute for Astrophysics (INAF) och Smithsonian Astrophysical Observatory. Studieresultaten publicerades i The Astrophysical Journal under titeln “The Slowest Spinning X-Ray Pulsar in an Extragalactic Globular Cluster”.
Som de uppger i sitt papper, var detekteringen av denna pulsar möjliggjord tack vare data som samlats in av rymdobservatoriet XMM-Newton 2000–2013. Under denna tid har XMM-Newton samlat information om cirka 50 miljarder röntgenfotoner, som har kombinerats av astronomer vid Lomosov MSU till en öppen online-databas.
Denna databas har gjort det möjligt för astronomer att titta närmare på många tidigare upptäckta objekt. Detta inkluderar XB091D, en pulsar med en period av sekunder (alias en "andra pulsar") belägen i en av de äldsta kulaformade stjärnklusteren i Andromeda-galaxen. Att hitta röntgenfoton som skulle göra det möjligt för dem att karakterisera XB091D var dock ingen lätt uppgift. Som Ivan Zolotukhin förklarade i ett pressmeddelande från MSU:
”Detektorerna på XMM-Newton upptäcker bara en foton från denna pulsar var femte sekund. Därför kan sökningen efter pulsars bland de omfattande XMM-Newton-data jämföras med sökningen efter en nål i en höstack. För denna upptäckt var vi faktiskt tvungna att skapa helt nya matematiska verktyg som gjorde det möjligt för oss att söka och utvinna den periodiska signalen. Teoretiskt sett finns det många tillämpningar för den här metoden, inklusive de utanför astronomin. ”
Baserat på totalt 38 XMM-Newton-observationer, drog teamet slutsatsen att denna pulsar (som var den enda kända pulsaren i sitt slag bortom vår galax på den tiden), befinner sig i de tidigaste stadierna av "föryngring". I korthet indikerade deras observationer att pulsaren började accelerera för mindre än 1 miljon år sedan. Denna slutsats baserades på det faktum att XB091D är den långsammast roterande kulformiga klusterpulsaren som hittades hittills.
Neutronstjärnan fullbordar en varv på 1,2 sekunder, vilket är mer än 10 gånger långsammare än den tidigare rekordhållaren. Från de uppgifter de observerade kunde de också karakterisera miljön kring XB091D. Till exempel fann de att pulsaren och dess binära par är belägna i ett extremt tätt globulärt kluster (B091D) i Andromeda Galaxy - cirka 2,5 miljoner ljusår bort.
Detta kluster beräknas vara 12 miljarder år gammalt och innehåller miljoner gamla, svaga stjärnor. Den följeslagare är en 0,8 solmassastjärna, och själva det binära systemet har en rotationsperiod på 30,5 timmar. Och på cirka 50 000 år, beräknar de, kommer pulsaren att accelerera tillräckligt för att återigen ha en rotationsperiod uppmätt i millisekunderna - dvs. en millisekund pulsar.
Intressant nog är XB910Ds placering i denna enorma region med stjärnor med superhög densitet det som tillät den att fånga en följeslagare för ungefär en miljon år sedan och inleda processen ”föryngring” i första hand. Som Zolotukhin förklarade:
”I vår galax observeras inga sådana långsamma röntgenpulser i 150 kända kulakluster, eftersom deras kärnor inte är stora och täta nog för att bilda nära binära stjärnor med en tillräckligt hög hastighet. Detta indikerar att B091D-klusterkärnan, med en extremt tät sammansättning av stjärnor i XB091D, är mycket större än den vanliga klustret. Så vi har att göra med ett stort och ganska sällsynt objekt - med en tät rest av en liten galax som Andromeda-galaxen en gång förtärde. Stjärnornas täthet här, i en region som är cirka 2,5 ljusår över, är cirka 10 miljoner gånger högre än i närheten av solen. ”
Tack vare denna studie, och de matematiska verktygen som teamet utvecklat för att hitta den, kommer astronomer sannolikt att kunna gå igenom många tidigare upptäckta objekt under de kommande åren. Inom dessa enorma datamängder kan det finnas många exempel på sällsynta astronomiska händelser som bara väntar på att bli bevittnade och ordentligt karakteriserade.
Ytterligare läsning: The Astrophysical Journal, Lomonosov Moskva statsuniversitet
