Observationer av PSR J1826-1256 – en radiotyst gammastrålpulsar – erhållna med ESA:s XMM-Newton röntgenobservatorium. Forskare upptäckte den pulserade röntgenstrålningen från denna och två liknande källor med hjälp av en teoretisk modell som förutsäger en pulsars icke-termiska röntgenljusstyrka på basis av dess observerade gammastrålningsljusstyrka. Denna pulsar har en period på 110,2 millisekunder, visas alternativt svagare och ljusare när dess strålar av strålning pekar mot och bort från jorden. I illustrationssyfte, pulsarens flimmer visas 10 gånger långsammare än den faktiska i denna animerade vy. Kredit:ESA/XMM-Newton/J. Li, DESY, Tyskland
Baserat på en ny teoretisk modell, ett team av forskare utforskade det rika dataarkivet från ESA:s XMM-Newton och NASA:s Chandra rymdobservatorier för att hitta pulserande röntgenstrålning från tre källor. Upptäckten, förlitar sig på tidigare gammastrålningsobservationer av pulsarerna, tillhandahåller ett nytt verktyg för att undersöka de mystiska mekanismerna för pulsaremission, vilket kommer att vara viktigt för att förstå dessa fascinerande föremål och använda dem för rymdnavigering i framtiden.
Universums fyrar, pulsarer är snabbt roterande neutronstjärnor som sänder ut strålar. När pulsarer roterar och strålarna alternativt pekar mot och bort från jorden, källan pendlar mellan ljusare och svagare tillstånd, vilket resulterar i en signal som verkar "pulsera" med några millisekunder till sekunder, med en regelbundenhet som konkurrerar även med atomur.
Pulsarer är de otroligt täta, extremt magnetisk, reliker av massiva stjärnor, och är bland de mest extrema objekten i universum. Att förstå hur partiklar beter sig i ett så starkt magnetfält är grundläggande för att förstå hur materia och magnetfält interagerar mer generellt.
Ursprungligen upptäckt genom deras radioutsändning, pulsarer är nu kända för att även avge andra typer av strålning, men vanligtvis i mindre mängder. En del av detta utsläpp är standard värmestrålning – den typ som allt med en temperatur över absolut noll avger. Pulsarer släpper ut värmestrålning när de ansamlas materia, till exempel från en annan stjärna.
Men pulsarer avger även icke-termisk strålning, som ofta produceras i de mest extrema kosmiska miljöerna. I pulsarer, icke-termisk strålning kan skapas via två processer:synkrotronemission och krökningsemission. Båda processerna innebär att laddade partiklar accelereras längs magnetfältslinjer, får dem att utstråla ljus som kan variera i våglängd från radiovågor till gammastrålar.
Icke-termisk röntgenstrålning härrör mest från synkrotronemission, medan gammastrålar kan komma från så kallad synkrokurvaturemission – en kombination av de två mekanismerna. Det är relativt lätt att hitta pulsarer som utstrålar gammastrålar – NASA:s Fermi Gamma-Ray rymdteleskop har upptäckt mer än 200 av dem under det senaste decenniet, tack vare dess förmåga att skanna hela himlen. Men bara ett 20-tal har visat sig pulsera i icke-termiska röntgenstrålar.
"Till skillnad från mätinstrument för detektering av gammastrålning, Röntgenteleskop måste sägas exakt var de ska peka, så vi måste ge dem någon form av vägledning, " säger Diego Torres, från Institutet för rymdvetenskap i Barcelona, Spanien.
Medveten om att det borde finnas många pulsarer som sänder ut tidigare oupptäckta icke-termiska röntgenstrålar, Torres utvecklade en modell som kombinerade synkrotron- och krökningsstrålning för att förutsäga om pulsarer som upptäcks i gammastrålar också kunde förväntas uppträda i röntgenstrålar.
"Vetenskapliga modeller beskriver fenomen som inte kan upplevas direkt, " förklarar Torres.
"Särskilt den här modellen hjälper till att förklara emissionsprocesserna i pulsarer och kan användas för att förutsäga röntgenstrålningen som vi bör observera, baserat på den kända gammastrålningen."
Modellen beskriver gammastrålning av pulsarer som detekterats av Fermi – specifikt, ljusstyrkan som observeras vid olika våglängder – och kombinerar denna information med tre parametrar som bestämmer pulsaremissionen. Detta möjliggör en förutsägelse av deras ljusstyrka vid andra våglängder, till exempel vid röntgen.
Observerad röntgen- och gammastrålning från tre pulsarer:J1747-2958 (vänster), J2021+3651 (mitten), och J1826-1256 (höger). Röntgenpulsemissionen upptäcktes med hjälp av en teoretisk modell som förutsäger en pulsars icke-termiska röntgenljusstyrka på basis av dess observerade gammastrålningsljusstyrka. Gammastrålningsobservationerna är från NASA:s Fermi Gamma-Ray rymdteleskop; röntgenobservationerna är från NASA:s Chandra röntgenobservatorium (vänster och mitten) och ESA:s XMM-Newton röntgenobservatorium (höger). Den röda kurvan i diagrammen representerar den bästa passformen för modellen som beskriver det totala utsläppet från källorna jämfört med de observerade uppgifterna (svarta symboler). I den övre raden, anpassningen utfördes med endast gammastrålningsdata:värdet i röntgenenergiområdet representerar den teoretiska förutsägelsen, vilket är ganska nära vad som senare avslöjades i observationerna. I den nedre raden, passformen inkluderar även röntgendata, ger en mer exakt beskrivning av fenomenet med samma modell. Kredit:Anpassad från J. Li et al. (2018)
Torres samarbetade med ett team av forskare, ledd av Jian Li från Deutsches Elektronen Synchrotron i Zeuthen nära Berlin, Tyskland, att välja tre kända gammastrålningspulsarer som de förväntade sig, baserat på modellen, att även lysa starkt i röntgenstrålar. De grävde i dataarkiven för ESA:s XMM-Newton och NASA:s Chandra röntgenobservatorier för att söka efter bevis på icke-termisk röntgenstrålning från var och en av dem.
"Vi upptäckte inte bara röntgenpulseringar från alla tre pulsarerna, men vi fann också att spektrumet av röntgenstrålar var nästan detsamma som förutspått av modellen, " förklarar Li.
"Detta betyder att modellen mycket exakt beskriver emissionsprocesserna inom en pulsar."
Särskilt, XMM-Newton-data visade tydlig röntgenstrålning från PSR J1826-1256 – en radiotyst gammastrålpulsar med en period på 110,2 millisekunder. Spektrum av ljus mottaget från denna pulsar var mycket nära det som förutspåtts av modellen. Röntgenstrålning från de andra två pulsarerna, som båda roterar något snabbare, avslöjades med hjälp av Chandra-data.
Denna upptäckt representerar redan en betydande ökning av det totala antalet pulsarer som är kända för att avge icke-termiska röntgenstrålar. Teamet förväntar sig att många fler kommer att upptäckas under de närmaste åren eftersom modellen kan användas för att ta reda på exakt var man ska leta efter dem.
Att hitta fler röntgenpulsarer är viktigt för att avslöja deras globala egenskaper, inklusive populationsegenskaper. En bättre förståelse för pulsarer är också väsentlig för att potentiellt kunna dra fördel av deras exakta timingsignaler för framtida rymdnavigeringssträvanden.
Resultatet är ett steg mot att förstå sambanden mellan emissionen från pulsarer i olika delar av det elektromagnetiska spektrumet, möjliggör ett robust sätt att förutsäga ljusstyrkan hos en pulsar vid en given våglängd. Detta kommer att hjälpa oss att bättre förstå interaktionen mellan partiklar och magnetfält i pulsarer och bortom.
"Denna modell kan göra exakta förutsägelser av pulsarröntgenstrålning, och den kan också förutsäga emissionen vid andra våglängder, till exempel synlig och ultraviolett, " fortsätter Torres.
"I framtiden, vi hoppas hitta nya pulsarer som leder till en bättre förståelse av deras globala egenskaper."
Studien belyser fördelarna med XMM-Newtons enorma dataarkiv för att göra nya upptäckter och visar upp uppdragets imponerande förmåga att upptäcka relativt svaga källor. Teamet ser också fram emot att använda nästa generations röntgenrymdteleskop, inklusive ESA:s framtida Athena-uppdrag, för att hitta ännu fler pulsarer som avger icke-termisk röntgenstrålning.
"Som flaggskeppet för europeisk röntgenastronomi, XMM-Newton upptäcker fler röntgenkällor än någon tidigare satellit. Det är fantastiskt att se att det hjälper till att lösa så många kosmiska mysterier, avslutar Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist vid ESA.
