Kosmiska strålar - partiklar som har accelererats till nära ljusets hastighet - strömmar ut från vår sol hela tiden, även om de är positivt tröga jämfört med vad som kallas Ultra-High-Energy Cosmic Rays (UHECR). Dessa typer av kosmiska strålar kommer från källor utanför solsystemet och är mycket mer energiska än de från vår sol, men också mycket sällsynta. Fusionen mellan en vit dvärg och en neutronstjärna eller ett svart hål kan vara en källa till dessa strålar, och sådana sammanslagningar kan uppstå ofta tillräckligt för att vara den viktigaste källan till dessa energiska partiklar.
Sloan White dwArf Radial hastighet data Mining Survey (SWARMS) - som är en del av Sloan Digital Sky Survey - avslöjade nyligen ett binärt system med exotiska objekt bara 50 parsec från solsystemet. Detta system, som heter SDSS 1257 + 5428, verkar vara en vit dvärgstjärna som kretsar kring en neutronstjärna eller svartmassa med låg massa. Detaljer om systemet och dess första upptäckt kan hittas i ett papper av Carles Badenes et al. här.
Medförfattare Todd Thompson, biträdande professor vid institutionen för astronomi vid Ohio State University, argumenterar i ett nyligen skrivet till The Astrophysical Journal Letters att denna typ av system och efterföljande sammanslagning av dessa exotiska rester av stjärnor kan vara vanliga och kan redovisa mängden UHECR som för närvarande observeras. Fusionen mellan den vita dvärgen och neutronstjärnan eller det svarta hålet kan också skapa ett svart hål med låg massa, ett så kallad "baby" black hole.
Thompson skrev i en e-intervju:
”Vita dvärg- / neutronstjärnor eller svarthålsbinarier tros vara ganska sällsynta, även om det finns ett stort intervall i antalet per mjölkvägliknande galax i litteraturen. SWARMS var den första som upptäckte ett sådant system med hjälp av tekniken "radial hastighet", och den första som hittade ett sådant objekt så nära, bara 50 parsecs bort (cirka 170 ljusår). Av detta skäl var det mycket förvånande, och dess relativa närhet är det som gjorde det möjligt för oss att hävda att dessa system måste vara ganska vanliga jämfört med de flesta tidigare förväntningar. SWARMS skulle ha varit mycket tur att se något så sällsynt så i närheten. ”
Thompson et al. hävdar att denna typ av sammanslagning kan vara den viktigaste källan till UHECR i Vintergalaxen, och att man borde smälta samman i galaxen cirka var 2000 år. Dessa typer av sammanslagningar kan vara något mindre vanliga än supernovaer av typ Ia, som har sitt ursprung i binära system av vita dvärgar.
En vit dvärg som smälter samman med en neutronstjärna skulle också skapa ett svartmassat hål med ungefär tre gånger solens massa. Thompson sade: ”Faktum är att det här scenariot är troligt eftersom vi tror att neutronstjärnor inte kan existera över 2-3 gånger solens massa. Tanken är att WD skulle störas och ansluta sig till neutronstjärnan och sedan skulle neutronstjärnan kollapsa till ett svart hål. I det här fallet kan vi se signalen från BH-bildning i gravitationvågor. ”
Tyngdkraftsvågorna som produceras i en sådan sammanslagning skulle ligga över detekterbara intervallet av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ett instrument som använder lasrar för att detektera gravitationvågor (av vilka ingen har upptäckts ... ännu), och till och med en avstånd från basgravitationsvågobservatoriet, NASA: s laserinterferometer Space Antenna, LISA.
Vanliga kosmiska strålar som kommer från vår sol har en energi i skalan från 10 ^ 7 till 10 ^ 10 elektron volt. Kosmiska strålar med mycket hög energi är ett sällsynt fenomen, men de överstiger 10 ^ 20 elektronvolter. Hur producerar system som SDSS 1257 + 5428 kosmiska strålar med så hög energi? Thompson förklarade att det finns två lika fascinerande möjligheter.
I det första skulle bildandet av ett svart hål och den efterföljande tillträngningsskivan från fusionen generera en stråle som liknar dem som ses i centrum av galaxerna, ett tecken på en kvasar. Även om dessa strålar skulle vara mycket, mycket mindre, skulle chockvågorna på strålens framsida påskynda partiklarna till nödvändiga energier för att skapa UHECR, sa Thompson.
I det andra scenariot stjäl neutronstjärnan materia från den vita dvärgkompisanten, och denna ackretition börjar att den roterar snabbt. De magnetiska spänningarna som bygger vid ytan av neutronstjärnan, eller "magnetar", skulle kunna påskynda alla partiklar som interagerar med det intensiva magnetfältet till ultrahöga energier.
Skapandet av dessa kosmiska strålar med extremt hög energi av sådana system är mycket teoretiskt, och hur vanliga de kan vara i vår galax är bara en uppskattning. Det förblir oklart så snart efter upptäckten av SDSS 1257 + 5428 om det följeslagna för den vita dvärgen är ett svart hål eller neutronstjärna. Men det faktum att SWARMS gjorde en sådan upptäckt så tidigt i undersökningen är uppmuntrande för upptäckten av ytterligare exotiska binära system.
”Det är inte troligt att SWARMS kommer att se 10 eller 100 fler sådana system. Om det gjorde det, skulle sådana sammanslagningar vara mycket (otvivelaktigt) hög. Som sagt har vi blivit förvånade många gånger tidigare. Men med tanke på den totala undersökta himmelytan, om vår uppskattning av graden av sådana sammanslagningar är korrekt, bör SWARMS bara se ungefär ytterligare ett sådant system, och de kan se ingen. En liknande undersökning på södra himlen (det finns för närvarande inget som kan jämföras med Sloan Digital Sky Survey, som SWARMS bygger på) bör visa upp ett sådant system, ”sa Thompson.
Observationer av SDSS 1257 + 5428 har redan gjorts med hjälp av Swift röntgenobservatorium, och vissa mätningar har gjorts i radiospektrumet. Ingen källa till gammastrålar kunde hittas på platsen för systemet med Fermi-teleskopet.
Thompson sade: ”Den viktigaste kommande observationen av systemet är förmodligen att få ett riktigt avstånd via parallax. Just nu är avståndet baserat på egenskaperna hos den observerade vita dvärgen. I princip,
det borde vara relativt enkelt att titta på systemet under nästa år och få ett parallaxavstånd, vilket kommer att lindra många av osäkerheterna kring den vita dvärgens fysiska egenskaper. ”
Källa: Arxiv, e-intervju med Todd Thompson
