Eta Carinaes stora utbrott på 1840-talet skapade den böljande Homunculus-nebulosan, avbildad här av Hubble. Nu ungefär ett ljusår långt, det expanderande molnet innehåller tillräckligt med material för att göra minst 10 kopior av vår sol. Astronomer kan ännu inte förklara vad som orsakade detta utbrott. Kredit:NASA, ESA, och Hubble SM4 ERO Team
En ny studie som använder data från NASA:s rymdteleskop NuSTAR tyder på att Eta Carinae, det mest lysande och massiva stjärnsystemet inom 10, 000 ljusår, accelererar partiklar till höga energier - av vilka några kan nå jorden som kosmiska strålar.
"Vi vet att explosionsvågorna från exploderade stjärnor kan accelerera kosmiska strålpartiklar till hastigheter jämförbara med ljusets, en otrolig energikick, sa Kenji Hamaguchi, en astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och huvudförfattaren till studien. "Liknande processer måste förekomma i andra extrema miljöer. Vår analys visar att Eta Carinae är en av dem."
Astronomer vet att kosmiska strålar med energier större än 1 miljard elektronvolt (eV) kommer till oss från bortom vårt solsystem. Men eftersom dessa partiklar – elektroner, protoner och atomkärnor - alla bär en elektrisk laddning, de viker ur kurs när de stöter på magnetfält. Detta förvränger deras vägar och maskerar deras ursprung.
Eta Carinae, ligger cirka 7, 500 ljusår bort i den södra stjärnbilden Carina, är känd för ett utbrott från 1800-talet som för en kort stund gjorde den till den näst ljusaste stjärnan på himlen. Denna händelse kastade också ut en massiv timglasformad nebulosa, men orsaken till utbrottet är fortfarande dåligt förstådd.
Systemet innehåller ett par massiva stjärnor vars excentriska banor för dem ovanligt nära vart 5,5:e år. Stjärnorna innehåller 90 och 30 gånger massan av vår sol och passerar 140 miljoner miles (225 miljoner kilometer) från varandra när de närmar sig närmast — ungefär det genomsnittliga avståndet mellan Mars och solen.
"Båda Eta Carinaes stjärnor driver kraftfulla utflöden som kallas stjärnvindar, " sa teammedlemmen Michael Corcoran, även på Goddard. "Där dessa vindar kolliderar med förändringar under omloppscykeln, som producerar en periodisk signal i lågenergiröntgenstrålar som vi har spårat i mer än två decennier."
NASA:s Fermi Gamma-ray rymdteleskop observerar också en förändring i gammastrålar - ljus som packar mycket mer energi än röntgenstrålar - från en källa i riktning mot Eta Carinae. Men Fermis syn är inte lika skarp som röntgenteleskop, så astronomer kunde inte bekräfta sambandet.
För att överbrygga gapet mellan lågenergiröntgenövervakning och Fermi-observationer, Hamaguchi och hans kollegor vände sig till NuSTAR. Lanserades 2012, NuSTAR kan fokusera röntgenstrålar med mycket större energi än något tidigare teleskop. Använder både nytagna och arkiverade data, teamet undersökte NuSTAR-observationer som förvärvats mellan mars 2014 och juni 2016, tillsammans med röntgenobservationer med lägre energi från Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton-satellit under samma period.
Eta Carinae lyser i röntgenstrålar på denna bild från NASA:s Chandra X-ray Observatory. Färgerna indikerar olika energier. Rött sträcker sig 300 till 1, 000 elektronvolt (eV), grönt sträcker sig från 1, 000 till 3, 000 eV och blå täcker 3, 000 till 10, 000 eV. För jämförelse, energin för synligt ljus är cirka 2 till 3 eV. NuSTAR-observationer (gröna konturer) avslöjar en källa till röntgenstrålar med energier som är cirka tre gånger högre än vad Chandra upptäcker. Röntgenstrålar som ses från den centrala punktkällan uppstår från binärens stjärnvindkollision. NuSTAR-detekteringen visar att stötvågor i vindkollisionszonen accelererar laddade partiklar som elektroner och protoner till nära ljusets hastighet. Några av dessa kan nå jorden, där de kommer att upptäckas som kosmiska strålpartiklar. Röntgenstrålar spridda av skräp som skjuts ut i Eta Carinaes berömda utbrott 1840 kan ge det bredare röda utsläppet. Kredit:NASA/CXC och NASA/JPL-Caltech
Eta Carinaes lågenergi, eller mjuk, Röntgenstrålar kommer från gas i gränsytan mellan de kolliderande stjärnvindarna, där temperaturen överstiger 70 miljoner grader Fahrenheit (40 miljoner grader Celsius). Men NuSTAR upptäcker en källa som avger röntgenstrålar över 30, 000 eV, cirka tre gånger högre än vad som kan förklaras av stötvågor i de kolliderande vindarna. För jämförelse, energin för synligt ljus sträcker sig från cirka 2 till 3 eV.
Teamets analys, presenterades i en tidning som publicerades i måndags, 2 juli, i Natur astronomi , visar att dessa "hårda" röntgenstrålar varierar med den binära omloppsperioden och visar ett liknande mönster av energiutmatning som gammastrålning som observerats av Fermi.
Forskarna säger att den bästa förklaringen till både den hårda röntgen- och gammastrålningen är elektroner som accelereras i våldsamma chockvågor längs gränsen för de kolliderande stjärnvindarna. Röntgenstrålningen som detekteras av NuSTAR och gammastrålningen som detekteras av Fermi härrör från stjärnljus som ges en enorm energiökning genom interaktioner med dessa elektroner.
Några av de supersnabba elektronerna, såväl som andra accelererade partiklar, måste fly systemet och kanske några till slut vandrar till jorden, där de kan upptäckas som kosmiska strålar.
"Vi har känt till ett tag att regionen runt Eta Carinae är källan till energiutsläpp i högenergiröntgenstrålar och gammastrålar", sa Fiona Harrison, NuSTARs huvudutredare och professor i astronomi vid Caltech i Pasadena, Kalifornien. "Men tills NuSTAR kunde lokalisera strålningen, visa att det kommer från binärt och studera dess egenskaper i detalj, ursprunget var mystiskt."
