Forskare som observerar en nyfiken neutronstjärna i ett binärt system som kallas 'Rapid Burster' kan ha löst ett fyrtio år gammalt mysterium kring dess förvirrande röntgenutbrott. De upptäckte att dess magnetfält skapar ett gap runt stjärnan, i stor utsträckning hindrar den från att mata på materia från sin stjärnkompis. Gas byggs upp tills, under vissa förutsättningar, den träffar neutronstjärnan på en gång, producerar intensiva blixtar av röntgenstrålar. Upptäckten gjordes med rymdteleskop inklusive ESA:s XMM-Newton.

Upptäcktes på 1970 -talet, Rapid Burster är ett binärt system som består av en lågmassastjärna i sin bästa tid och en neutronstjärna-den kompakta resten av en massiv stjärnas bortgång. I ett sådant stjärnpar, tyngdkraften från den täta resten avlägsnar den andra stjärnan av en del av dess gas; gasen bildar en ackresionsskiva och spiraler mot neutronstjärnan.

Som ett resultat av denna ackrediteringsprocess, de flesta neutronstjärniga binärer frigör kontinuerligt stora mängder röntgenstrålar, som punkteras av ytterligare röntgenblixtar några timmar eller dagar. Forskare kan redogöra för dessa "typ-I" -utbrott, när det gäller kärnreaktioner som antänds i den inflödande gasen - främst väte - när den ackumuleras på neutronstjärnans yta.

Men Rapid Burster är en märklig källa:när det är som ljusast, det avger dessa typ-I-blixtar, under perioder med lägre röntgenemission, den uppvisar de mycket mer svårfångade 'typ-II'-utbrott-dessa är plötsliga, oregelbundna och extremt intensiva utsläpp av röntgenstrålar.

I motsats till typ-I-utbrott, som inte representerar en signifikant frigörelse av energi med avseende på vad som normalt avges från den ackumulerande neutronstjärnan, utbrott av typ II frigör enorma mängder energi under perioder som annars kännetecknas av mycket få utsläpp.

Trots fyrtio års sökningar, typ-II-utbrott har endast detekterats i en annan källa förutom Rapid Burster. Känd som Bursting Pulsar och upptäcktes på 1990 -talet, detta binära system består av en lågmassastjärna och en starkt magnetiserad, snurrande neutronstjärna-en pulsar-som bara uppvisar utbrott av typ II.

På grund av bristen på källor som visar detta fenomen, de underliggande fysiska mekanismerna har länge diskuterats, men en ny studie av Rapid Burster ger första bevis för vad som händer.

"Rapid Burster är det arketypiska systemet för att undersöka typ-II-utbrott-det är där de först observerades och den enda källan som visar både typ-I och typ-II-utbrott, "säger Jakob van den Eijnden, doktorand vid Anton Pannekoek Institute for Astronomy i Amsterdam, Nederländerna, och huvudförfattare till ett brev publicerat i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

I den här studien, Jakob och hans kollegor organiserade en observationskampanj med hjälp av tre röntgenrumteleskop för att ta reda på mer om detta system.

Under samordning av medförfattaren Tullio Bagnoli, som också var baserad vid Anton Pannekoek Institute for Astronomy, laget lyckades observera källan som sprack över några dagar i oktober 2015 med en kombination av NASA:s NuSTAR och Swift, och ESA:s XMM-Newton.

De övervakade först källan med Swift, tidpunkten för observationerna under en period då de förväntade sig att en serie typ II-utbrott skulle äga rum. Sedan, strax efter att den första utbrottet upptäcktes, forskarna satte igång de andra observatorierna, med hjälp av XMM-Newton för att mäta röntgenstrålar som avges direkt av neutronstjärnans yta eller av gas i ackretionsskivan, och NuSTAR för att upptäcka röntgenstrålar med högre energi, som avges av neutronstjärnan och reflekteras från skivan.

Med dessa uppgifter, forskarna granskade strukturen på ackretionsskivan för att förstå vad som händer med den innan, under, och efter dessa stora utgivningar av röntgenstrålar.

Enligt en modell, typ-II-utbrott inträffar eftersom det snabbt snurrande magnetfältet i neutronstjärnan håller gasen att flöda från följeslagaren, förhindra att den når närmare neutronstjärnan och effektivt skapar en inre kant i mitten av skivan. Dock, när gasen fortsätter att flöda och ackumuleras nära denna kant, det snurrar snabbare och snabbare, och hamnar så småningom med magnetfältets snurrhastighet.

"Det är som om vi kastade något mot en mery-go-round som snurrar väldigt snabbt:det skulle studsa av, om den inte kastas med samma hastighet som maskinen, "förklarar Jakob.

"En liknande balansgång sker mellan den inflödande gasen och det snurrande magnetfältet:så länge gasen inte har rätt hastighet, den kan inte komma till neutronstjärnan och den kan bara stapla sig vid kanten. När den når rätt hastighet, mycket gas har ackumulerats och det träffar neutronstjärnan på en gång, vilket ger upphov till det dramatiska utsläppet av typ-II-utbrott. "

Denna modell förutspår att medan materialet hopar sig, ett gap bör bildas mellan neutronstjärnan och kanten på ackretionsskivan.

I andra modeller, de intensiva blixtarna förklaras som att de härrör från instabilitet i gasens flöde eller från generalrelativistiska effekter. I vilket fall, dessa skulle ske mycket närmare neutronstjärnan och inte ge upphov till ett sådant gap.

"Ett gap är exakt vad vi hittade på Rapid Burster, säger Nathalie Degenaar, en forskare vid Anton Pannekoek Institute for Astronomy och Jakobs doktorandrådgivare. "Detta tyder starkt på att typ-II-utbrott orsakas av magnetfältet."

Observationerna indikerar att det finns ett gap på ungefär 90 km mellan neutronstjärnan och den inre kanten av ackretionsskivan. Även om det inte är imponerande på kosmiska skalor, gapets storlek är mycket större än själva neutronstjärnan, som har en radie på cirka 10 km.

Detta resultat är i linje med resultaten från en tidigare studie av Nathalie och medarbetare, som hade observerat ett liknande gap runt Bursting Pulsar-den andra källan som är känd för att producera typ II-utbrott.

I den nya studien av Rapid Burster, forskarna mätte också styrkan hos neutronstjärnans magnetfält:vid 6 × 108 G, den är ungefär en miljard gånger starkare än jordens och, Viktigast av allt, över fem gånger starkare än vad som observerats i andra neutronstjärnor med en lågmassa stjärnkamrat. Detta kan antyda i ung ålder av detta binära system, tyder på att ackresionsprocessen inte har pågått tillräckligt länge för att dämpa magnetfältet, som man tror har hänt i liknande system.

Om denna neutronstjärna binär verkligen är så ung som dess starka magnetfält indikerar, då förväntas det snurra mycket långsammare än sina äldre motsvarigheter:framtida mätningar av stjärnans snurrhastighet kan hjälpa till att bekräfta detta ovanliga scenario.

"Detta resultat är ett stort steg mot att lösa ett fyrtio år gammalt pussel inom neutronstjärnastronomi, samtidigt som det avslöjar nya detaljer om samspelet mellan magnetfält och ackretionsskivor i dessa exotiska objekt, "avslutar Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist på ESA.