Krabbnebulosan, det sex ljusår breda expanderande molnet av skräp från en supernovaexplosion, är värd för en neutronstjärna som snurrar 30 gånger i sekunden som är bland de ljusaste pulsarerna på himlen vid röntgen- och radiovåglängder. Denna sammansättning av bilder från Hubble rymdteleskop avslöjar olika gaser som drivs ut i explosionen:blått avslöjar neutralt syre, grönt visar enskilt joniserat svavel, och rött indikerar dubbeljoniserat syre. Kredit:NASA, ESA, J. Hester och A. Loll (Arizona State University)
Ett globalt vetenskapligt samarbete med data från NASA:s neutronstjärna Interior Composition Explorer (NICER)-teleskop på den internationella rymdstationen har upptäckt röntgenvågor som åtföljer radioskurar från pulsaren i krabbnebulosan. Fyndet visar att dessa spricker, kallade gigantiska radiopulser, frigör mycket mer energi än man tidigare misstänkt.
En pulsar är en typ av snabbt snurrande neutronstjärna, den krossade, stadsstor kärna av en stjärna som exploderade som en supernova. En ung, isolerad neutronstjärna kan snurra dussintals gånger varje sekund, och dess virvlande magnetfält driver strålar av radiovågor, synligt ljus, röntgenstrålar, och gammastrålar. Om dessa strålar sveper förbi jorden, astronomer observerar klockliknande emissionspulser och klassificerar objektet som en pulsar.
"Av fler än 2, 800 pulsarer katalogiserade, Crab pulsar är en av endast ett fåtal som sänder gigantiska radiopulser, som förekommer sporadiskt och kan vara hundratals till tusentals gånger ljusare än de vanliga pulserna, " sa den ledande forskaren Teruaki Enoto vid RIKEN Cluster for Pioneering Research i Wako, Saitama prefektur, Japan. "Efter årtionden av observationer, endast krabban har visat sig förbättra sina gigantiska radiopulser med emission från andra delar av spektrumet."
Den nya studien, som kommer att dyka upp i 9 april-upplagan av Vetenskap och är nu tillgänglig online, analyserade den största mängd samtidiga röntgen- och radiodata som någonsin samlats in från en pulsar. Det utökar det observerade energiintervallet i samband med detta förbättringsfenomen med tusentals gånger.
Mellan 2017 och 2019, NASA:s neutronstjärna Interior Composition Explorer (NICER) och radioteleskop i Japan studerade krabbpulsaren samtidigt. I denna visualisering, som representerar bara 13 minuter av BÄTTRE observationer, miljontals röntgenstrålar plottas i förhållande till pulsarens rotationsfas, som är centrerad på den starkaste radiostrålningen. För tydlighets skull, två hela varv visas. När pulsarstrålarna sveper över vår siktlinje, de producerar två toppar för varje rotation, med den ljusare förknippad med ett större antal gigantiska radiopulser. För första gången, BRA data visar en liten ökning av röntgenstrålning i samband med dessa händelser. Kredit:NASA:s Goddard Space Flight Center/Enoto et al. 2021
Ligger cirka 6, 500 ljusår bort i stjärnbilden Oxen, Krabbnebulosan och dess pulsar bildades i en supernova vars ljus nådde jorden i juli 1054. Neutronstjärnan snurrar 30 gånger varje sekund, och vid röntgen- och radiovåglängder är den bland de ljusaste pulsarerna på himlen.
Mellan augusti 2017 och augusti 2019, Enoto och hans kollegor använde NICER för att upprepade gånger observera krabbpulsaren i röntgenstrålar med energier upp till 10, 000 elektronvolt, eller tusentals gånger så mycket som synligt ljus. Medan NICER tittade, teamet studerade också objektet med minst ett av två markbaserade radioteleskop i Japan - 34-metersskålen vid Kashima Space Technology Center och 64-metersskålen vid Japan Aerospace Exploration Agencys Usuda Deep Space Center, båda arbetar med en frekvens på 2 gigahertz.
Han kombinerade datauppsättningen gav effektivt forskarna nästan en och en halv dag av samtidig röntgen- och radiotäckning. Allt sagt, de fångade aktivitet över 3,7 miljoner pulsarrotationer och satte upp cirka 26, 000 gigantiska radiopulser.
Jättepulser bryter ut snabbt, toppar på miljondelar av en sekund, och inträffar oförutsägbart. Dock, när de inträffar, de sammanfaller med de vanliga urverkspulsationerna.
NICER registrerar ankomsttiden för varje röntgen som den upptäcker till inom 100 nanosekunder, men teleskopets timingprecision är inte dess enda fördel för denna studie.
"NICERs förmåga att observera ljusa röntgenkällor är nästan fyra gånger större än den kombinerade ljusstyrkan för både pulsaren och dess nebulosa, " sa Zaven Arzoumanian, projektets vetenskapsledare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Så dessa observationer var i stort sett opåverkade av pileup - där en detektor räknar två eller flera röntgenstrålar som en enda händelse - och andra problem som har komplicerat tidigare analyser."
Enotos team kombinerade alla röntgendata som sammanföll med gigantiska radiopulser, avslöjade en röntgenförstärkning på cirka 4% som inträffade i synk med dem. Det är anmärkningsvärt likt den 3% ökning av synligt ljus som också är förknippat med fenomenet, upptäcktes 2003. Jämfört med skillnaden i ljusstyrka mellan krabbans regelbundna och gigantiska pulser, dessa förändringar är anmärkningsvärt små och utgör en utmaning för teoretiska modeller att förklara.
Förbättringarna tyder på att jättepulser är en manifestation av underliggande processer som producerar emission som spänner över det elektromagnetiska spektrumet, från radio till röntgen. Och eftersom röntgenstrålar packar miljontals gånger så mycket som radiovågor, även en blygsam ökning representerar ett stort energibidrag. Forskarna drar slutsatsen att den totala utsända energin associerad med en gigantisk puls är dussintals till hundratals gånger högre än tidigare uppskattat från enbart radio och optiska data.
"Vi förstår fortfarande inte hur eller var pulsarer producerar sin komplexa och omfattande emission, och det är glädjande att ha bidragit med ytterligare en bit till multivåglängdspusslet för dessa fascinerande föremål, " sa Enoto.
