Data som registrerats av NASA:s Chandra röntgenobservatorium av en neutronstjärna när den passerade genom en tät fläck av stjärnvind som härrör från dess massiva följestjärna ger värdefull insikt om stjärnvindarnas struktur och sammansättning och om miljön för själva neutronstjärnan. En artikel som beskriver forskningen, ledd av Penn State astronomer, visas 15 januari, 2019, i journalen, Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

"Stjärnvindar är det snabbflytande materialet - sammansatt av protoner, elektroner, och metallatomer – utstötta från stjärnor, sa Pragati Pradhan, en postdoktor i astronomi och astrofysik vid Penn State och huvudförfattaren till artikeln. "Detta material berikar stjärnans omgivning med metaller, rörelseenergi, och joniserande strålning. Det är källmaterialet för stjärnbildning. Fram till det senaste decenniet, man trodde att stjärnvindar var homogena, men dessa Chandra-data ger direkta bevis för att stjärnvindar är befolkade med täta klumpar."

Den observerade neutronstjärnan är en del av ett binärt binärt system för röntgenstrålning - den kompakta, otroligt tät neutronstjärna parad med en massiv "normal" superjättestjärna. Neutronstjärnor i binära system producerar röntgenstrålar när material från den medföljande stjärnan faller mot neutronstjärnan och accelereras till höga hastigheter. Som ett resultat av denna acceleration, Röntgenstrålar produceras som kan interagera med stjärnvindens material för att producera sekundära röntgenstrålar av signaturenergier på olika avstånd från neutronstjärnan. Neutrala—oladdade—järnatomer, till exempel, producera fluorescensröntgenstrålar med energier på 6,4 kilo-elektronvolt (keV), ungefär 3000 gånger energin av synligt ljus. Astronomer använder spektrometrar, som instrumentet på Chandra, att fånga dessa röntgenstrålar och separera dem baserat på deras energi för att lära sig om stjärnornas sammansättning.

"Neutrala järnatomer är en vanligare komponent i stjärnor, så vi ser vanligtvis en stor topp vid 6,4 keV i data från våra spektrometrar när vi tittar på röntgenstrålar från de flesta neutronstjärnor i ett binärt system för röntgenstrålning med hög massa, ", sa Pradhan. "När vi tittade på röntgendata från det binära röntgensystemet med hög massa som kallas OAO 1657-415 såg vi att denna topp vid 6,4 keV hade en ovanlig egenskap. Toppen hade en bred förlängning ner till 6,3 keV. Denna förlängning kallas en "Compton-skuldra" och indikerar att röntgenstrålar från neutralt järn sprids tillbaka av tät materia som omger stjärnan. Detta är bara det andra binära högmassröntgensystemet där en sådan funktion har upptäckts."

Forskarna använde också Chandras toppmoderna teknik för att identifiera en nedre gräns för avståndet från neutronstjärnan som röntgenstrålar från neutralt järn bildas. Deras spektralanalys visade att neutralt järn joniseras under minst 2,5 ljussekunder, ett avstånd på cirka 750 miljoner meter eller nästan 500, 000 mil, från neutronstjärnan för att producera röntgenstrålar.

"I det här arbetet, vi ser en nedtoning av röntgenstrålningen från neutronstjärnan och en framträdande linje från neutralt järn i röntgenspektrumet – två signaturer som stödjer stjärnvindarnas klumpiga natur, sade Pradhan. Dessutom, upptäckten av Compton skuldra har också gjort det möjligt för oss att kartlägga miljön runt denna neutronstjärna. Vi förväntar oss att kunna förbättra vår förståelse av dessa fenomen med den kommande uppskjutningen av rymdfarkoster som Lynx och Athena, som kommer att ha förbättrad röntgenspektral upplösning."

För Pradhans postdoktorala arbete vid Penn State under ledning av professor i astronomi och astrofysik David Burrows, Forskningsprofessor i astronomi och astrofysik Jamie Kennea, och forskningsprofessor i astronomi och astrofysik Abe Falcone, hon är huvudsakligen involverad i att skriva algoritmer för omborddetektering av röntgenstrålar från transienta astronomiska händelser som de som ses från dessa binära högmassröntgensystem för instrument som kommer att finnas på rymdfarkosten Athena.

Pradhan och hennes team har också en uppföljningskampanj som tittar på samma binära högmassröntgen med en annan NASA-satellit—NuSTAR, som kommer att täcka ett bredare spektrum av röntgenstrålar från denna källa med energier från ~3 till 70 keV—i maj 2019.

"Vi är glada över den kommande NuSTAR-observationen också, ", sa Pradhan. "Sådana observationer i hårda röntgenstrålar kommer att lägga till ytterligare en dimension till vår förståelse av fysiken i detta system och vi kommer att ha en möjlighet att uppskatta neutronstjärnans magnetfält i OAO 1657-415, som sannolikt är en miljon gånger starkare än det starkaste magnetfältet på jorden."