Вчені розкрили таємницю рентгенівського випромінювання пульсарів

Міжнародна команда астрономів зробила важливе відкриття, яке пояснює природу взаємодії пульсуючих залишків вибухнувших зірок з навколишньою матерією у глибинах космосу. Дослідження проводилося за допомогою спостережень космічного телескопа IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) NASA та інших телескопів.

Вчені зі Сполучених Штатів, Італії та Іспанії зосередили увагу на загадковій космічній парі під назвою PSR J1023+0038, або скорочено J1023. Система J1023 складається з нейтронної зірки, що швидко обертається та живиться речовиною своєї супутникової зірки малої маси. Навколо нейтронної зірки утворився акреційний диск. Ця нейтронна зірка також є пульсаром, який випромінює потужні подвійні промені світла зі своїх протилежних магнітних полюсів під час обертання, обертаючись як маяковий промінь.

Система J1023 є рідкісною та цінною для вивчення, оскільки пульсар чітко переходить між активним станом, коли він живиться речовиною супутникової зірки, та більш пасивним станом, коли він випромінює виявлені пульсації у вигляді радіохвиль. Це робить його «перехідним мілісекундним пульсаром».

«Перехідні мілісекундні пульсари є космічними лабораторіями, які допомагають нам зрозуміти, як нейтронні зірки еволюціонують у подвійних системах», — заявила дослідниця Марія Крістіна Бальйо з Італійського національного інституту астрофізики (INAF) обсерваторії Брера в Мераті, Італія, та провідний автор статті в The Astrophysical Journal Letters, яка ілюструє нові відкриття.

Головним питанням для вчених щодо цієї пульсарної системи було: звідки походять рентгенівські промені? Відповідь мала б поінформувати більш широкі теорії про прискорення частинок, фізику акреції та середовища навколо нейтронних зірок у всесвіті.

Джерело здивувало дослідників: рентгенівські промені походили від пульсарного вітру — хаотичної суміші газів, ударних хвиль, магнітних полів та частинок, прискорених майже до швидкості світла, який вдаряється в акреційний диск.

Щоб визначити це, астрономи мали виміряти кут поляризації як у рентгенівському, так і в оптичному світлі. Поляризація є мірою того, наскільки організовані світлові хвилі. Вони дослідили рентгенівську поляризацію за допомогою IXPE, єдиного телескопа, здатного здійснювати такі вимірювання в космосі, та порівняли її з оптичною поляризацією від Дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії в Чилі. IXPE був запущений у грудні 2021 року та здійснив багато спостережень пульсарів, але J1023 була першою системою такого типу, яку він досліджував.

NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) NASA та обсерваторія Ніла Герелса Свіфт надали цінні спостереження системи у високоенергетичному світлі. Інші телескопи, що надали дані, включали радіотелескоп Карла Янського Very Large Array в Магдалені, Нью-Мексико.

Результат: вчені виявили однаковий кут поляризації в різних довжинах хвиль.

«Ця знахідка є переконливим доказом того, що єдиний, послідовний фізичний механізм лежить в основі світла, яке ми спостерігаємо», — сказав Франческо Коті Зелаті з Інституту космічних наук у Барселоні, Іспанія, співавтор відкриттів.

Ця інтерпретація кидає виклик загальноприйнятій думці про випромінювання нейтронних зірок у подвійних системах, заявили дослідники. Попередні моделі вказували, що рентгенівські промені походять з акреційного диска, але це нове дослідження показує, що вони походять від пульсарного вітру.

«IXPE спостерігав багато ізольованих пульсарів і виявив, що пульсарний вітер живить рентгенівські промені», — сказав астрофізик NASA Marshall Філіп Каарет, головний дослідник IXPE в Центрі космічних польотів Marshall NASA в Хантсвіллі, Алабама. «Ці нові спостереження показують, що пульсарний вітер живить більшу частину енергетичного виходу системи».

Астрономи продовжують вивчати перехідні мілісекундні пульсари, оцінюючи, як спостережувані фізичні механізми порівнюються з механізмами інших пульсарів та туманностей пульсарного вітру. Розуміння цих спостережень може допомогти уточнити теоретичні моделі, що описують, як пульсарні вітри генерують випромінювання, і наблизити дослідників на один крок до повного розуміння фізичних механізмів, що працюють у цих надзвичайних космічних системах, погодилися Бальйо та Коті Зелаті.

IXPE, який продовжує надавати безпрецедентні дані, що дозволяють зробити проривні відкриття про небесні об'єкти у всесвіті, є спільною місією NASA та Італійського космічного агентства з партнерами та науковими співробітниками в 12 країнах. IXPE очолює Центр космічних польотів Marshall NASA в Хантсвіллі, Алабама. BAE Systems, Inc., зі штаб-квартирою у Фоллс-Черч, Вірджинія, керує операціями космічного апарата разом з Лабораторією атмосферної та космічної фізики Університету Колорадо в Боулдері.

Це відкриття має важливе значення для розуміння фундаментальних процесів у космосі та може вплинути на майбутні дослідження нейтронних зірок та їхніх систем. Дослідження демонструє потужність сучасних космічних телескопів та міжнародної співпраці в розкритті таємниць всесвіту.