Forskare från Moskva-institutet för fysik och teknik, Rymdforskningsinstitutet vid Ryska vetenskapsakademin (IKI), och Pulkovo Observatory upptäckte en unik neutronstjärna, vars magnetfält är uppenbart endast när stjärnan ses under en viss vinkel i förhållande till betraktaren. Tidigare, alla neutronstjärnor kunde grupperas i två stora familjer:den första inkluderade objekt där magnetfältet manifesterar sig under hela spinncykeln, och den andra inkluderade objekt där magnetfältet inte mäts alls. Neutronstjärnan GRO J2058+42 som studerats av forskarna ger en inblick i den inre strukturen av en neutronstjärnas magnetfält endast vid en viss fas av dess rotationsperiod. Verket publicerades i Astrofysiska tidskriftsbrev .

Neutronstjärnan i GRO J2058+42-systemet upptäcktes för nästan ett kvarts sekel sedan med Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) i USA. Den tillhör klassen av så kallade transienta röntgenpulsarer. Detta objekt studerades med olika instrument och ingenting skilde det från andra objekt i sin klass. Endast nya observationer med NuSTAR rymdobservatoriet som har en enastående kombination av den höga energiupplösningen ( <400 eV) och extremt brett energiområde (3-79 keV), gjorde det möjligt för forskarna att upptäcka en speciell egenskap i pulsarens emission, potentiellt göra det till det första objektet i sin egen familj.

En cyklotronabsorptionslinje registrerades i källenergispektrumet som möjliggör uppskattning av neutronstjärnans magnetfältstyrka. Ett sådant observationsfenomen (cyklotronlinjen) är inte nytt och observeras för närvarande i cirka 30 röntgenpulsarer. Det unika med de ryska forskarnas upptäckt är att denna linje manifesterar sig först när neutronstjärnan ses i en viss vinkel i förhållande till observatören. Denna upptäckt var möjlig på grund av en detaljerad "tomografisk" analys av systemet. Röntgenspektra av neutronstjärnan GROJ2058+42 uppmättes från tio olika riktningar och endast i ett av dem hittades en signifikant sänkning av emissionsintensiteten runt 10 keV. Denna energi motsvarar ungefär den magnetiska fältstyrkan på 1012 G vid neutronstjärnans yta. Det erhållna resultatet är särskilt intressant på grund av en samtidig registrering av högre övertoner i cyklotronlinjen vid samma rotationsfas av neutronstjärnan.

Neutronstjärnor är supertäta objekt med en radie på cirka 10 km och massan 1,4-2,5 gånger solens massa. Neutronstjärnor föds som ett resultat av supernovaexplosioner som kan leda till en sådan komprimering av materien att elektroner smälter samman med protoner och bildar neutroner, resulterar i kolossala massor i små volymer. Dessutom, den magnetiska fältstyrkan vid neutronstjärnans yta efter kollapsen kan nå 1011-1012 G (vilket är tiotals miljoner gånger högre än vad som uppnåddes i jordens mest kraftfulla laboratorier). Vanligtvis, neutronstjärnor har en dipolkonfiguration av magnetfältet – dvs. de har två poler (liknande jorden, som har nord- och sydmagnetpolen).

Vissa neutronstjärnor kan bilda binära system med normala stjärnor, fånga upp materia från sina normala följeslagare och anbringa den på magnetiska poler. Denna process liknar något som att jorden fångar solvindspartiklar, vilket resulterar i ett fenomen som kallas norrsken. Om neutronstjärnans rotationsaxel inte sammanfaller med dess magnetiska axel, observatören kommer att registrera en periodisk signal, som en från en fyr, och stjärnan visas som en röntgenpulsar.

GRO J2058+42 är en mycket märklig röntgenpulsar eftersom dess emission endast kan observeras under ljusa utbrott. Sådant beteende förklaras av det faktum att följeslagaren i detta system tillhör den så kallade klassen Be-stjärnor. Sådana stjärnor roterar runt sin axel så snabbt att en utströmmande (eller en så kallad dekret) skiva av materia bildas runt deras ekvator. När neutronstjärnan rör sig runt en normalkomponent med hög massa, materien från en sådan skiva börjar rinna till dess yta, som leder till ett utbrott, eller en snabb ökning av ljusstyrkan. Dessa är idealiska ögonblick för att studera fysiska egenskaper hos sådana föremål.

Sådana studier kompliceras vanligtvis av det faktum att utbrott i de flesta sådana system är ganska sällsynta och inte kan förutsägas tillförlitligt. Därför, det är viktigt att omedelbart organisera observationer med rymdobservatorier när sådana händelser inträffar. Forskare från de ovan nämnda instituten hade turen att fånga början på ett nytt utbrott från GRO J2058+42 och snabbt organisera serier av observationer med NuSTAR-observatoriet. Dessa observationer visade att magnetfältet manifesterar sig endast under vissa faser av neutronstjärnans rotation, vilket kan peka på dess ovanliga konfiguration eller egenheter i systemets geometri. De erhållna resultaten var så spännande att de ryska forskarna kontaktade sina kollegor från NuSTAR-teamet och föreslog att man skulle göra ytterligare observationer som bekräftade de första fynden.

I allmänhet, möjliga inhomogeniteter i magnetfältsstrukturen hos neutronstjärnor förutspåddes genom teoretiska beräkningar, men tidigare hade sådana inhomogeniteter antagits endast bildas genom korta utbrott, observerad från magnetarer. Upptäckten av de ryska forskarna bevisade för första gången att magnetfältet hos en neutronstjärna har en betydligt mer komplex struktur än vad man trodde tidigare, och att denna komplexa struktur kan behålla sin form under ganska lång tid och vara en grundläggande egenskap hos ett objekt.

Alexander Lutovinov, Professor vid Ryska vetenskapsakademin, Biträdande forskningsdirektör vid rymdforskningsinstitutet, MIPT professor, och en av upptäcktsförfattarna, sa, "Strukturen av magnetfält hos neutronstjärnor är en grundläggande fråga för dess bildande och utveckling. Å ena sidan, dipolstrukturen hos progenitorstjärnan bör bevaras under kollapsen, men å andra sidan, även vår egen sol har lokala magnetfältsinhomogeniteter som manifesteras som solfläckar. Liknande strukturer förutspåddes teoretiskt även för neutronstjärnor. Det är fantastiskt att se dem i verklig data för första gången. Teoretikerna kommer nu att ha nya faktadata för sin modellering, och vi kommer att ha ett nytt verktyg för att studera parametrar för neutronstjärnor."