Ett internationellt team av astrofysiker inklusive ryska forskare från rymdforskningsinstitutet vid Russian Academy of Sciences (RAS), MIPT, och Pulkovo Observatory of RAS har upptäckt en plötslig minskning av pulsär ljusstyrka efter jätteutbrott. Fenomenet är förknippat med den så kallade "propellereffekten, "som förutspåddes för mer än 40 år sedan. Men detta är den första studien som på ett tillförlitligt sätt observerar övergången mellan de två röntgenpulsarna 4U 0115+63 och V 0332+53 till "propellerregimen". Resultaten av observationerna, de slutsatser forskarna kommit fram till, och relevanta beräkningar publicerades i Astronomi och astrofysik .

De två källorna studerade, 4U 0115+63 och V 0332+53, tillhör en ganska speciell klass av övergående röntgenpulsarer. Dessa stjärnor fungerar omväxlande som svaga röntgenkällor, genomgå jätteutbrott, och försvinner helt ur sikte. Pulsars övergångar mellan olika tillstånd ger värdefull information om deras magnetfält och temperaturen i det omgivande materialet. Sådan information är oumbärlig, eftersom de oerhört starka magnetfälten och extremt höga temperaturerna omöjliggör direktmätning i ett laboratorium på jorden.

Namnet på en pulsar föregås av en bokstav som anger det första observatoriet för att upptäcka det, som följs av en numerisk kod som innehåller koordinaterna för pulsaren. "V" avser Vela 5B, en amerikansk militär satellit som lanserades för att spionera på sovjeterna. När det gäller "4U" i det andra namnet, det står för den fjärde Uhuru -katalogen, sammanställt av det första observatoriet i omloppsbana speciellt till röntgenastronomi. Efter upptäckten av den första pulsaren, det var ursprungligen känt som "LGM-1" (för "små gröna män"), eftersom det var en källa till vanliga radiopulser, ledande forskare att tro att de kan ha fått en signal från intelligenta utomjordingar.

En röntgenpulsar är en snabbt snurrande neutronstjärna med ett starkt magnetfält. En neutronstjärna kan vara en del av ett binärt system. I en process som astrofysiker kallar ackretion, neutronstjärnan kan kanalisera gas från sin normala stjärnkompis. De lockade gasspiralerna mot neutronstjärnan, bilda en ackresionsskiva, som störs vid magnetosfärens radie. Under tillträde, materien tränger till en viss grad in i magnetosfären, "fryser in i det, "och strömmar längs magnetfältets linjer mot neutronstjärnans magnetpoler. Faller mot polerna, gasen värms upp till flera hundra miljoner grader, som orsakar utsläpp av röntgenstrålar. Om en neutronstjärnas magnetaxel är skev i förhållande till dess rotationsaxel, röntgenstrålarna som den avger roterar på ett sätt som liknar hur fyrar fungerar. För en "onshore" observatör, källan verkar sända signaler med jämna mellanrum som sträcker sig från sekunder till flera minuter.

En neutronstjärna är en av de möjliga resterna som en supernova lämnat efter sig. Den kan bildas i slutet av stjärnutvecklingen, om den ursprungliga stjärnan var massiv nog för att gravitationen skulle komprimera stjärnmaterialet tillräckligt för att få elektroner att kombinera med protoner som gav neutroner. Magnetfältet hos en neutronstjärna kan vara mer än 10 storleksordningar starkare än alla magnetfält som kan uppnås på jorden.

I ett binärt system, en röntgenpulsar observeras när neutronstjärnan hämtar materia från sin normala stjärnkamrat-ofta en jätte eller en supergigant som kännetecknas av en stark stjärnvind (utmatning av materia i rymden). Alternativt, det kan vara en mindre stjärna som vår egen sol som har fyllt sin Roche -lob - området utanför vilken den inte kan hålla fast vid den materia som lockas av gravitationen hos neutronstjärnans följeslagare.

4U 0115+63 och V 0332+53 pulsarer är oregelbundna röntgenkällor (transienter), på grund av det faktum att deras stjärnkompisar tillhör den ganska ovanliga Be -stjärnklassen. Axelrotationen av en Be -stjärna är så snabb att den ibland börjar "bukta" vid ekvatorn, och en gasskiva bildas runt den, fyller Roche -loben. Neutronstjärnan börjar snabbt få gasen från sin "donator" -kompis, orsakar en kraftig ökning av röntgenemission som kallas ett röntgenutbrott. Vid något tillfälle, efter att saken i ekvatorialutbuktningen börjar tömmas, ackretionsskivan blir slut, och gasen kan inte längre falla på neutronstjärnan på grund av magnetfältets påverkan och centrifugalkraften. Detta ger upphov till ett fenomen som kallas "propellereffekten" - pulsaren går in i ett tillstånd där ackumulering inte sker, och röntgenkällan observeras inte längre.

Astronomer använder termen "ljusstyrka" för att hänvisa till den totala mängden energi som avges från en himmelskropp per tidsenhet. Den röda linjen i diagrammet representerar tröskelstyrkan för 4U 0115+63 pulsaren. Observationer av den andra källan (V 0332+53) gav liknande resultat. De blå linjerna markerar de ögonblick i tid då avståndet mellan pulsaren och följeslagaren var på ett minimum. This proximity of the companion star might cause the neutron star to go into overdrive and resume emission (see diagram), provided that sufficient amounts of matter are still available for accretion.

The Russian scientists used the X-ray telescope (XRT) on NASA's Swift space observatory to measure the threshold luminosity that marks the transition of a pulsar to the propeller regime. This parameter depends on the magnetic field and the rotational period of the pulsar. The rotational periods of the sources in this study are known based on the intervals between the pulses that we can register, 3.6 s in the case of 4U 0115+63 and 4.3 s for V 0332+53. Knowing both the threshold luminosity and the rotational period, one can calculate the strength of the magnetic field. The research findings are in agreement with the values obtained using other methods. Dock, the luminosity was only reduced by a factor of 200, as compared to the expected 400 times reduction. The researchers hypothesized that there could be two possible explanations for this discrepancy. Först, the neutron star surface could become an additional source of X-rays, as it cools down following an outburst. Andra, the propeller effect could leave some room for matter transfer between the two stars, as opposed to sealing the neutron star off completely. Med andra ord, an unaccounted mechanism could be enabling accretion to continue to a certain extent.

The transition of a pulsar into the propeller mode is challenging to observe, as the low luminosity state cannot be detected easily. For 4U 0115+63 and V 0332+53, this was attempted following the previous outbursts of these sources. Dock, the instruments available at the time were not sensitive enough to see the pulsars in the "off-mode." This study is the first to demonstrate reliably that these two sources do, verkligen, "black out." Dessutom, the researchers showed that knowledge of the luminosity that marks the transition of pulsars into the propeller regime can be used to learn more about the structure and intensity of the magnetic fields around neutron stars.

Prof. Dr. Alexander Lutovinov of the Russian Academy of Sciences, Head of Laboratory at the Space Research Institute (IKI RAS) and a professor at MIPT, kommentarer, "Knowledge of the structure of the magnetic fields of neutron stars is of paramount importance for our understanding of their formation and evolution. In this research, we determined the dipole magnetic field component, which is linked to the propeller effect, for two neutron stars. We demonstrate that this independently calculated value can be compared to the available results of magnetic field measurements based on the detection of cyclotron lines in the spectra of sources. By doing this, it is possible to estimate the contribution of the other, higher-order components in the field structure."