På 1980-talet forskare började upptäcka extremt ljusa källor till röntgenstrålar i de yttre delarna av galaxer, bort från de supermassiva svarta hålen som dominerar deras centra. I början, forskare trodde att dessa kosmiska föremål, kallas ultraluminösa röntgenkällor, eller ULX, var rejäla svarta hål med mer än tio gånger solens massa. Men observationer som börjar 2014 från NASA:s NuSTAR och andra rymdteleskop visar att vissa ULX, som lyser med röntgenljus lika i energi som miljontals solar, är faktiskt neutronstjärnor - de utbrända kärnorna av massiva stjärnor som exploderade. Tre sådana ULX har hittills identifierats som neutronstjärnor.

Nu, ett Caltech-ledd team som använder data från NASA:s Chandra X-ray Observatory har identifierat en fjärde ULX som en neutronstjärna – och hittat nya ledtrådar om hur dessa objekt kan lysa så starkt.

Neutronstjärnor är extremt täta föremål - en tesked skulle väga ungefär en miljard ton, eller så mycket som ett berg. Deras gravitation drar omgivande material från medföljande stjärnor till dem, och när detta material dras på, det värms upp och lyser med röntgenstrålar. Men när neutronstjärnorna "matar" på saken, det kommer en tid då det resulterande röntgenljuset driver bort saken. Astronomer kallar denna punkt-när föremålen inte kan ackumulera materia snabbare och avge fler röntgenstrålar-Eddington-gränsen.

"På samma sätt som vi bara kan äta så mycket mat åt gången, det finns gränser för hur snabbt neutronstjärnor kan samla materia, " säger Murray Brightman, en postdoktor vid Caltech och huvudförfattare till en ny rapport om resultaten i Natur Astronomi . "Men ULX bryter på något sätt denna gräns för att avge så otroligt ljusa röntgenstrålar, och vi vet inte varför. "

I den nya studien, forskarna tittade på en ULX i Whirlpool-galaxen, även känd som M51, som ligger cirka 28 miljoner ljusår bort. De analyserade arkivröntgendata som tagits av Chandra och upptäckte ett ovanligt dopp i ULX:s ljusspektrum. Efter att ha uteslutit alla andra möjligheter, de kom på att dippen kom från ett fenomen som kallas cyklotronresonansspridning, som uppstår när laddade partiklar – antingen positivt laddade protoner eller negativt laddade elektroner – cirklar runt i ett magnetfält. Svarta hål har inga magnetfält och neutronstjärnor har, så upptäckten avslöjade att just denna ULX i M51 måste vara en neutronstjärna.

Cyklotronresonansspridning skapar tydliga signaturer i en stjärnas ljusspektrum och närvaron av dessa mönster, kallade cyklotronlinjer, kan ge information om styrkan av stjärnans magnetfält - men bara om orsaken till linjerna, oavsett om det är protoner eller elektroner, är känd. Forskarna har inte ett tillräckligt detaljerat spektrum av den nya ULX för att säga säkert.

"Om cyklotronlinjen är från protoner, då vet vi att dessa magnetfält runt neutronstjärnan är extremt starka och kan faktiskt hjälpa till att bryta Eddington-gränsen, " säger Brightman. Sådana starka magnetfält kan minska trycket från en ULX:s röntgenstrålar - det tryck som normalt trycker bort materia - vilket gör att neutronstjärnan kan förbruka mer materia än vad som är typiskt och lysa med de extremt ljusa röntgenstrålarna.

Om cyklotronlinjen kommer från cirkulerande elektroner, i kontrast, då skulle magnetfältsstyrkan runt neutronstjärnan inte vara exceptionellt stark, och därmed är fältet förmodligen inte anledningen till att dessa stjärnor bryter Eddington-gränsen. För att ytterligare ta itu med mysteriet, forskarna planerar att skaffa mer röntgendata om ULX i M51 och leta efter fler cyklotronlinjer i andra ULX.

"Upptäckten att dessa mycket ljusa föremål, länge tros vara svarta hål med massor upp till 1, 000 gånger solens, drivs av mycket mindre massiva neutronstjärnor, var en stor vetenskaplig överraskning, "säger Fiona Harrison, Caltechs Benjamin M. Rosen professor i fysik; Kent och Joyce Kresas ledarskapsordförande för avdelningen för fysik, Matematik och astronomi; och huvudutredaren för NuSTAR-uppdraget. "Nu kanske vi faktiskt får fasta fysiska ledtrådar om hur dessa små föremål kan vara så mäktiga."