Forskare har upptäckt något fantastiskt.

I en klunga av några av de mest massiva och lysande stjärnorna i vår galax, ca 5, 000 ljusår från jorden, astronomer upptäckte partiklar som accelererades av en snabbt roterande neutronstjärna när den passerade den massiva stjärnan den kretsar om bara en gång vart 50:e år.

Upptäckten är extremt sällsynt, enligt University of Delaware astrofysiker Jamie Holder och doktorand Tyler Williamson, som ingick i det internationella team som dokumenterade händelsen.

Holder kallade detta excentriska par av gravitationellt sammanlänkade stjärnor för ett "gammastrålningssystem" och liknade händelsen en gång i livet med ankomsten av Halleys komet eller förra årets solförmörkelse i USA.

Massiva stjärnor är bland de ljusaste stjärnorna i vår galax. Neutronstjärnor är extremt täta och energiska stjärnor som uppstår när en massiv stjärna exploderar.

Detta binära system är en massiv stjärna med en neutronstjärna som kretsar runt den. Av de 100 miljarder stjärnorna i vår galax, färre än 10 är kända för att vara denna typ av system.

Ännu färre – bara två system, inklusive denna - är kända för att ha en identifierad neutronstjärna, eller pulsar, som avger pulser av radiovågor som forskare kan mäta. Detta är viktigt eftersom det talar om för astronomer mycket exakt hur mycket energi som finns tillgänglig för att accelerera partiklar, något forskare vet lite om.

"Du kan inte begära ett bättre naturligt laboratorium för att studera partikelacceleration i en ständigt föränderlig miljö - vid energier långt bortom allt vi kan producera på jorden, " sade Holder, professor vid UD:s institution för fysik och astronomi.

Projektet leddes av ett team av forskare, inklusive Holder och Williamson, med hjälp av VERITAS-teleskoparrayen vid Fred Lawrence Whipple Observatory i Arizona, i samarbete med forskare som använder MAGIC-teleskopen vid Roque de los Muchachos-observatoriet i La Palma, en ö på Kanarieöarna, Spanien. (VERITAS står för Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System och MAGIC står för Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov-teleskop.)

Forskarna rapporterade nyligen sina resultat i Astrofysiska tidskriftsbrev.

Hoppas på fyrverkerier

Den naturliga frågan, för många sinnen, är varför bryr sig forskare om accelererade partiklar?

"Eftersom vår galax är full av dem. Vi kallar dem kosmiska strålar och de bär lika mycket energi som ljuset från alla stjärnorna, sa Holder.

Astronomer upptäckte för mer än 100 år sedan att accelererade partiklar existerar, men hur eller var dessa partiklar accelererar förblir ett mysterium. Pulsarer är bland de mest extrema objekten i universum och de har magnetiska fält runt sig som är miljontals gånger starkare än vad forskare kunde hoppas att bygga på jorden. När en pulsar möter damm eller gas nära en massiv stjärna, partiklarna i närheten accelererar – till nära ljushastigheter – och kolliderar med vad som finns runt dem. Resultatet är en stråle av högenergiljus som kallas gammastrålning eller gammastrålar.

Sofistikerade teleskop, som de som drivs av VERITAS och MAGIC, kan upptäcka dessa gammastrålar eftersom de avger en blå ljusblixt när de når jordens atmosfär. Medan våra ögon inte kan se dessa ljusblixtar eftersom de är för snabba, bara nanosekunder lång, dessa teleskop kan.

En gång i livet doktorserfarenhet

Astronomer upptäckte först gammastrålar från pulsaren i detta ovanliga par stjärnor 2008. Ungefär lika stor som Newark, Delaware, pulsaren snurrar som tillbehöret på en köksmixer, sänder ut små pulser av gammastrålar och radiovågor med varje rotation.

Genom att mäta dessa radiopulsfrekvenser, astronomer kunde avgöra hur snabbt pulsaren rörde sig och beräkna exakt när den skulle vara närmast den massiva stjärnan som den kretsade runt – nov. 13, 2017. Det är en resa som tog 50 år.

VERITAS- och MAGIC-teamen började övervaka natthimlen och spåra pulsarens bana i september 2016. Till en början de var inte ens säkra på om de skulle se något. Men i september 2017 började astronomerna upptäcka en snabb ökning av antalet gammastrålar som träffar toppen av jordens atmosfär.

När de övervakade data som kom från VERITAS-teleskopen, Holder och Williamson insåg att pulsaren gjorde något annorlunda varje dag.

"Jag skulle vakna varje morgon och kolla och se om vi hade nya data, sedan analysera det så fort jag kunde, eftersom det fanns tillfällen då antalet gammastrålar vi såg förändrades snabbt under en dag eller två, sa Williamson, en doktorand på fjärde året.

Under den närmaste inflygningen mellan stjärnan och pulsaren i november 2017, Williamson märkte att VERITAS-teleskopen – över natten – hade registrerat tio gånger antalet gammastrålar som upptäcktes bara några dagar tidigare.

"Jag dubbelkollade allt innan jag skickade data till våra medarbetare, " sa Williamson. "Då en av våra partners, Ralph Bird vid UCLA, bekräftade att han hade fått samma resultat; det var spännande."

Ännu mer intressant - dessa observationsdata stämde inte överens med vad prediktiva modeller hade förutspått.

Generellt, Hållaren sa, existerande modeller förutspådde att när pulsaren närmade sig den massiva stjärnan den kretsade, antalet gammastrålar som produceras skulle sakta accelerera, uppleva en viss volatilitet och sedan sakta avta med tiden.

"Men våra registrerade data visade en enorm ökning av antalet gammastrålar istället, ", sa Holder. "Detta säger oss att vi måste revidera modellerna för hur denna partikelacceleration sker."

Vad mer, enligt Holder, medan astrofysiker förväntade sig att National Aeronautics and Space Administrations (NASA) Fermi gamma-ray rymdteleskop skulle registrera dessa gammastrålar, det gjorde det inte. Holder sa att orsaken till detta är oklart, men det är en del av det som gör VERITAS-resultaten så intressanta.

Astrofysiker vill lära sig exakt vilka partiklar som accelereras, och vilka processer driver dem upp till dessa extrema hastigheter, för att förstå mer om universum. Holder sa att även om binära gammastrålsystem förmodligen inte accelererar en stor del av partiklarna i vår galax, de tillåter forskare att studera vilken typ av accelerationsmekanismer som kan producera dem.

Planerar en lovande framtid

Astronomer kommer inte att kunna se detta binära system i arbete igen förrän 2067 när de två stjärnorna återigen är nära varandra. Då, Williamson skämtade om att han bara kunde vara en emeritusprofessor med tid på sina händer.

Just nu, Williamson är inte orolig för att få slut på saker att göra. Han tillbringade tre månader vid det Arizona-baserade observatoriet tidigare i år, ta mätningar, utföra hårdvaruunderhåll och ta fram en fjärrkontroll så att forskarna kan slå på teleskopets kameror från en dator inne i ett kontrollrum.

"Det var en fantastisk chans att tillbringa praktisk tid med teleskopen och lära känna instrumentet, sa Williamson.

Går framåt, han kommer att ägna resten av sina doktorandstudier åt att gå igenom och analysera mer detaljerat de nästan 175 timmars data som VERITAS-teleskopen samlade in 2016 och 2017.

"Tyler är, utan tvekan, den lyckligaste doktorand jag någonsin träffat eftersom den här händelsen som bara inträffar en gång vart 50:e år – en av de mest spännande sakerna vi har sett med våra teleskop på ett decennium – inträffade mitt i hans doktorandarbete, sa Holder.