Hur snabbt kan en neutronstjärna driva kraftfulla jetstrålar ut i rymden? Svaret, visar det sig, är ungefär en tredjedel av ljusets hastighet, som vårt team just har avslöjat i en ny studie publicerad i Nature .
Energiska kosmiska strålar kända som jetstrålar ses i hela vårt universum. De skjuts upp när material – främst damm och gas – faller in mot något tätt centralt föremål, till exempel en neutronstjärna (en extremt tät rest av en en gång massiv stjärna) eller ett svart hål.
Strålarna transporterar bort en del av gravitationsenergin som frigörs av den infallande gasen och återvinner den tillbaka till omgivningen i mycket större skalor.
De mest kraftfulla jetstrålarna i universum kommer från de största svarta hålen i galaxernas centrum. Energiproduktionen från dessa jetstrålar kan påverka utvecklingen av en hel galax, eller till och med en galaxhop. Detta gör jetplan till en kritisk, men ändå spännande, komponent i vårt universum.
Även om jetplan är vanliga, förstår vi fortfarande inte helt hur de lanseras. Att mäta strålarna från en neutronstjärna har nu gett oss värdefull information.
Strålar från svarta hål tenderar att vara ljusa och har studerats väl. Emellertid är strålarna från neutronstjärnor vanligtvis mycket svagare, och mycket mindre är känt om dem.
Detta utgör ett problem, eftersom vi kan lära oss mycket genom att jämföra de jetstrålar som lanseras av olika himlaobjekt. Neutronstjärnor är extremt täta stjärnkroppar – kosmiska askar som är lika stora som en stad, men som ändå innehåller en stjärnas massa. Vi kan se dem som enorma atomkärnor, var och en med en diameter på cirka 20 kilometer.
I motsats till svarta hål har neutronstjärnor både en fast yta och ett magnetfält, och gas som faller på dem frigör mindre gravitationsenergi. Alla dessa egenskaper kommer att ha en effekt på hur deras jetstrålar lanseras, vilket gör studier av neutronstjärnjetstrålar särskilt värdefulla.
En viktig ledtråd till hur jetplan lanseras kommer från deras hastigheter. Om vi kan avgöra hur jethastigheterna varierar med neutronstjärnans massa eller spin, skulle det ge ett kraftfullt test av teoretiska förutsägelser. Men det är extremt utmanande att mäta jethastigheter tillräckligt exakt för ett sådant test.
När vi mäter hastigheter på jorden tar vi tid ett objekt mellan två punkter. Det kan vara en 100-meterssprinter som springer nerför banan, eller en punkt-till-punkt fartkamera som spårar en bil.
Vårt team, ledd av Thomas Russell från det italienska nationella institutet för astrofysik i Palermo, genomförde ett nytt experiment för att göra detta för neutronstjärnjetstrålar.
Det som har gjort denna mätning så svår tidigare är att jetstrålar är jämna flöden. Det betyder att det inte finns någon enskild startpunkt för vår timer. Men vi kunde identifiera en kortlivad signal vid röntgenvåglängder som vi kunde använda som vår "startpistol."
Eftersom neutronstjärnorna är så täta kan de "stjäla" materia från en närliggande följeslagningsstjärna. Medan en del av den gasen skickas ut som jetstrålar, hamnar det mesta med att den faller på neutronstjärnan. När materialet hopar sig blir det varmare och tätare.
När tillräckligt mycket material har byggts upp utlöser det en termonukleär explosion. En skenande kärnfusionsreaktion inträffar och sprider sig snabbt för att uppsluka hela stjärnan. Fusionen varar i några sekunder till minuter, vilket orsakar en kortvarig utbrott av röntgenstrålar.
Vi trodde att den här termonukleära explosionen skulle störa neutronstjärnans jetstrålar. Så vi använde CSIROs Australia Telescope Compact Array för att stirra på strålarna i tre dagar på radiovåglängder för att försöka fånga störningen. Samtidigt använde vi Europeiska rymdorganisationens Integral-teleskop för att titta på röntgenstrålarna från systemet.
Till vår förvåning fann vi att strålarna blev ljusare efter varje röntgenpuls. Istället för att störa jetstrålarna verkade de termonukleära explosionerna driva upp dem. Och detta mönster upprepades tio gånger i ett neutronstjärnsystem, och sedan igen i ett andra system.
Vi kan förklara detta överraskande resultat om röntgenpulsen gör att gas som virvlar runt neutronstjärnan faller inåt snabbare. Detta ger i sin tur mer energi och material att avleda in i strålarna.
Det viktigaste är dock att vi kan använda röntgenskuren för att indikera starttiden för strålarna. Vi tajmade hur lång tid det tog att röra sig utåt till där de blev synliga vid två olika radiovåglängder. Dessa start- och målpunkter försåg oss med vår kosmiska fartkamera.
Intressant nog var jethastigheten vi mätte nära "flykthastigheten" från en neutronstjärna. På jorden är denna flykthastighet 11,2 kilometer per sekund – vad raketer behöver uppnå för att bryta sig loss från jordens gravitation. För en neutronstjärna är det värdet ungefär halva ljusets hastighet.
Vårt arbete har introducerat en ny teknik för att mäta neutronstjärnans jethastigheter. Våra nästa steg blir att se hur jethastigheten förändras för neutronstjärnor med olika massor och rotationshastigheter. Det gör det möjligt för oss att direkt testa teoretiska modeller, vilket tar oss ett steg närmare att ta reda på hur sådana kraftfulla kosmiska jetstrålar lanseras.
Mer information: Thomas D. Russell et al, termonukleära explosioner på neutronstjärnor avslöjar hastigheten på deras jetstrålar, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07133-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
