Neutronstjärnor är ett av de mest fascinerande astronomiska föremålen i det kända universum. Förutom att de är den tätaste typen av stjärna (med möjliga undantag för kvarkstjärnor) har de också varit kända för att bilda binära par med massiva stjärnor. Hittills har endast 39 sådana system upptäckts, och ännu färre har upptäckts som var sammansatta av en massiv stjärna och en mycket hög energi (VHE) gammastrålningsneutronstjärna.
Hittills har bara två av dessa system hittats, varav det andra upptäcktes för bara några år sedan av ett team av internationella astronomer känt som samarbetet Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS). Förutom att det var ett sällsynt fynd var upptäckten också mycket lycklig, eftersom det ovanliga beteende som de observerade från detta system inte kommer att hända igen förrän 2067.
Enkelt uttryckt, neutronstjärnor är de täta resterna av en stjärna som har exploderat i en supernova och lämnat ett extremt tätt, kompakt objekt som snurrar snabbt. Detta får en neutronstjärna att generera kraftfulla magnetfält som fokuserar sin strålning i en tät stråle, som verkar som en fyr när man ser i kant. När dessa strålar korsar varandra med jorden kan astronomer upptäcka dessa pulser vid radio och andra våglängder.
Eftersom det är vanligt med massiva stjärnor för binära par, är det inte förvånande att vissa pulsars har en kretsande följeslagare som överlevde sin partner som supernova. Det är också vanligt att dessa system har skräpskivor som påverkas av den snabbt snurrande pulsaren. När strålning kolliderar med skräp skapar den laddade partiklar som kan accelereras till nästan ljusets hastighet, vilket resulterar i mycket höga energi (VHE) gammastrålar.
Genom att använda de fyra 12 m-teleskopen vid Fred Lawrence Whipple Observatory, som drivs av Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), började VERITAS-samarbetet spåra det som tros vara ett VHE-gammastråle-pulsarsystem redan 2016. Denna källa finns i en massiv stjärnkammare ungefär 5000 ljusår från jorden i riktning mot Cygnus-konstellationen.
Med hjälp av ett team av astronomer som använde de två 17 m stora Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) teleskopen (belägen vid El Roque de Los Muchachos-observatoriet på Kanarieöarna), fann teamet att pulsaren hade en massiv stjärna följeslagare som kretsade om var 50: e år i en extremt elliptisk bana. De två lagen beräknade också att stjärnorna skulle befinna sig på de närmaste punkterna i deras bana senast den 13 november 2017 och att de inte skulle vara igen förrän 2067.
Direktörerna för VERITAS-samarbetet hade tidigare ingått deltagande med andra astronomer för att övervaka detta system före, under och efter dess närmaste strategi. Med hjälp av Fred Lawrence Whipple Observatory: s fyra teleskoper upptäckte de gammastrålarna från de extremt korta blixtar av Cherenkov-strålning som uppträder i himlen när de absorberas av jordens atmosfär.
De första observationerna, som gjordes 2016, avslöjade svaga gammastråleutsläpp, som var förenliga med det faktum att det binära systemet inbäddade i en stjärnkammare. "Denna låga nivå, stadiga utsläpp kommer troligen från en nebula som kontinuerligt drivs av pulsaren," sade Ralph Bird, en postdoktoral forskare vid University of California Los Angeles som spelade en ledande roll i VERITAS-kampanjen.
Forskarna väntade därför på att stjärnorna skulle nå den närmaste punkten i deras bana för att se om det skulle bli någon förändring. Enligt Alicia López Oramas, en forskare med MAGIC vid Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), och en av motsvarande författare till studien, förväntades "ett sådant unikt system ge ut mycket högenergiska gammastrålar under denna strategi , och denna möjlighet kunde inte missas. ”
I september började saker och ting förändras drastiskt. Som Tyler Williamson, en doktorand från University of Delawares avdelning för fysik och astronomi och en annan viktig bidragsgivare till VERITAS, indikerade:
”Gamma-ray flödet vi observerade i september var två gånger det tidigare värdet. Under det närmaste tillvägagångssättet mellan stjärnan och pulsaren, i november 2017, ökade flödet 10 gånger på bara en enda natt. ”
För att förklara detta beteende matchade teamet teoretiska modeller baserade på de senaste teorierna om pulsars, skräpskivor och de resulterande utsläppen till deras observationer. Detta visade sig misslyckat, vilket ledde till dem att dra slutsatsen att betydande revideringar behövs, vilket inkluderar bättre information om mötet mellan de två stjärnorna.
Kort sagt krävs fler observationer av detta binära par innan korrekt modellering kan göras. Detta är inte förvånande eftersom detta system endast är det andra fallet med ett binärt pulsarsystem som uppvisar VHE-gammastråleemission. Icke desto mindre var observationerna som samlats in av de två teamen ovärderliga, med tanke på att alla tidigare förklaringar om beteendet hos VHE gamma-ray pulsar-binärer var spekulation.
Under de kommande åren planerar forskarna att fortsätta att observera detta och andra pulsars för att övervaka det exotiska beteendet som kommer från denna extrema typ av objekt. Och om rätt modeller kan utvecklas för detta specifika system, kommer det att vara av oerhört stort värde för forskare, och erbjuder insikt i födelse och utveckling av kompakta föremål - allt från pulsars till binära svarthålssystem.
Som Wystan Benbow, en astrofysiker med CfA, sade, ”fortsätter investeringar i drift av unika, ledande anläggningar som VERITAS är avgörande och kommer att säkerställa ytterligare möjligheter att uppnå transformativ vetenskap.”
VERITAS-samarbetet är en grupp av 80 forskare från 20 institutioner baserade i USA, Kanada, Tyskland och Irland. Studien som beskriver deras resultat nyligen dök upp i Astrofysiska tidskriftsbrev. Fred Lawrence Whipple Observatory drivs av Smithsonian Astrophysical Observatory's (SAO).
