Ett avtryck av det binära gammasystemet LS 5039. En neutronstjärna (vänster) och dess massiva, sällskapsstjärna (höger). Forskargruppen föreslår att neutronstjärnan i hjärtat av LS 5039 har ett ultrastarkt magnetfält, och är utan tvekan en magnetar. Fältet accelererar högenergipartiklar inuti det bågformade området, därigenom sänder ut gammastrålar som kännetecknar det binära gammastrålningssystemet. Kredit:Kavli IPMU
Ett team av forskare ledda av medlemmar från Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) har analyserat tidigare insamlade data för att sluta sig till den sanna naturen hos ett kompakt objekt – som befunnits vara en roterande magnetar, en typ av neutronstjärna med ett extremt starkt magnetfält – som kretsar inom LS 5039, det ljusaste binära systemet för gammastrålning i galaxen.
Inklusive tidigare doktorand Hiroki Yoneda, Senior forskare Kazuo Makishima och chefsutredare Tadayuki Takahashi vid Kavli IMPU, teamet föreslår också att partikelaccelerationsprocessen som är känd för att inträffa inom LS 5039 orsakas av interaktioner mellan de täta stjärnvindarna i dess primära massiva stjärna, och ultrastarka magnetfält hos den roterande magnetaren.
Gammastrålningsbinärer är ett system av massiva, högenergistjärnor och kompakta stjärnor. De upptäcktes först nyligen, år 2004, när observationer av mycket högenergi-gammastrålar i teraelektronvoltbandet (TeV) från tillräckligt stora delar av himlen blev möjliga. När det ses med synligt ljus, binära gammastrålar visas som ljusa blåvita stjärnor, och kan inte skiljas från något annat binärt system som är värd för en massiv stjärna. Dock, när det observeras med röntgenstrålar och gammastrålar, deras egenskaper skiljer sig dramatiskt från andra binärer. I dessa energiband, vanliga binära system är helt osynliga, men binära gammastrålar producerar intensiv icke-termisk emission, och deras intensitet verkar öka och minska i enlighet med deras omloppsperioder på flera dagar till flera år.
När gammastrålningsbinärerna etablerades som en ny astrofysisk klass, man insåg snabbt att en extremt effektiv accelerationsmekanism borde fungera i dem. Medan accelerationen av TeV-partiklar kräver tiotals år i supernovarester, som är kända kosmiska acceleratorer, binära gammastrålar ökar elektronenergin över 1 TeV på bara tiotals sekunder. Gammastrålningsbinärer kan alltså anses vara en av de mest effektiva partikelacceleratorerna i universum.
Dessutom, vissa binära gammastrålar är kända för att sända ut starka gammastrålar med energier på flera megaelektronvolt (MeV). Gammastrålar i detta band är för närvarande svåra att observera; de upptäcktes från endast ett 30-tal himlakroppar på hela himlen. Men det faktum att sådana binärer sänder ut stark strålning även i detta energiband bidrar i hög grad till mysteriet kring dem, och indikerar en extremt effektiv partikelaccelerationsprocess som pågår inom dem.
Omkring 10 binärer av gammastrålar har hittats i galaxen hittills - jämfört med mer än 300 röntgenbinärer som är kända för att existera. Varför binära gammastrålar är så sällsynta är okänt, och, verkligen, vad den sanna naturen hos deras accelerationsmekanism är, har varit ett mysterium – fram till nu.
Genom tidigare studier, det var redan klart att en binär gammastrålning i allmänhet är gjord av en massiv primärstjärna som väger 20-30 gånger solens massa, och en sällskapsstjärna som måste vara en kompakt stjärna, men det var inte klart, i många fall, om den kompakta stjärnan är ett svart hål eller en neutronstjärna. Forskargruppen började sitt försök med att ta reda på vad som generellt är fallet.
Ett av de mest direkta bevisen för närvaron av en neutronstjärna är upptäckten av periodiska snabba pulsationer, som är relaterade till neutronstjärnans rotation. Detektering av sådan pulsering från en binär gammastrålning förkastar nästan otvivelaktigt scenariot med svarta hål.
I detta projekt, teamet fokuserade på LS 5039, som upptäcktes 2005, och fortfarande behålla sin position som den ljusaste binära gammastrålningen i röntgen- och gammastrålningsområdet. Verkligen, denna binära gammastrålning ansågs innehålla en neutronstjärna på grund av dess stabila röntgen- och TeV-gammastrålning. Dock, tills nu, försök att upptäcka sådana pulser hade utförts med radiovågor och mjuka röntgenstrålar - och eftersom radiovågor och mjuka röntgenstrålar påverkas av den primära stjärnans stjärnvindar, detektering av sådana periodiska pulser hade inte varit framgångsrik.
Den här gången, för första gången, teamet fokuserade på det hårda röntgenbandet (> 10 keV) och observationsdata från LS 5039 insamlade av den hårda röntgendetektorn (HXD) ombord på de rymdbaserade teleskopen Suzaku (mellan 9 och 15 september, 2007) och NuSTAR (mellan 1 och 5 september, 2016) – faktiskt, den sex dagar långa Suzaku-observationsperioden var den längsta hittills med hårda röntgenstrålar.
Båda observationerna, medan nio år åtskilda, gav bevis på en neutronstjärna i kärnan av LS 5039:den periodiska signalen från Suzaku med en period på cirka 9 sekunder. Sannolikheten att denna signal uppstår från statistiska fluktuationer är bara 0,1 procent. NuSTAR visade också en mycket liknande pulssignal, även om pulssignifikansen var lägre - NuSTAR-data, till exempel, var bara trevande. Genom att kombinera dessa resultat, Det drogs också slutsatsen att spinperioden ökar med 0,001 s varje år.
Baserat på den härledda spin-perioden och hastigheten för dess ökning, teamet uteslöt de rotationsdrivna och accretionsdrivna scenarierna, och fann att neutronstjärnans magnetiska energi är den enda energikällan som kan driva LS 5039. Det erforderliga magnetfältet når 10 11 T, vilket är 3 storleksordningar högre än de för typiska neutronstjärnor. Detta värde finns bland så kallade magnetarer, en underklass av neutronstjärnor som har ett så extremt starkt magnetfält. Pulsperioden på 9 sekunder är typisk för magnetarer, och detta starka magnetfält hindrar stjärnvinden från den primära stjärnan från att fångas av en neutronstjärna, vilket kan förklara varför LS 5039 inte uppvisar egenskaper som liknar röntgenpulsarer (röntgenpulsarer förekommer vanligtvis i binära röntgensystem, där stjärnvindarna fångas av sin följeslagare).
Intressant, de 30 magnetarerna som har hittats hittills har alla hittats som isolerade stjärnor, så deras existens i binärer av gammastrålar ansågs inte vara en mainstream idé. Förutom denna nya hypotes, teamet föreslår en källa som driver den icke-termiska emissionen inuti LS 5039 – de föreslår att emissionen orsakas av en interaktion mellan magnetarens magnetfält och täta stjärnvindar. Verkligen, deras beräkningar tyder på att gammastrålar med energier på flera megaelektronvolt, vilket har varit oklart, kan avges kraftigt om de produceras i ett område med ett extremt starkt magnetfält, nära en magnetar.
Dessa resultat avgör potentiellt mysteriet om det kompakta föremålets natur i LS 5039, och den underliggande mekanismen som driver det binära systemet. Dock, ytterligare observationer och förfining av deras forskning behövs för att kasta nytt ljus över deras resultat.
