Neutronensterne sind eines der faszinierendsten astronomischen Objekte im bekannten Universum. Sie sind nicht nur der dichteste Sterntyp (mit der möglichen Ausnahme von Quarksternen), sondern bilden auch binäre Paare mit massiven Sternen. Bisher wurden nur 39 solcher Systeme entdeckt, und es wurden noch weniger entdeckt, die aus einem massiven Stern und einem Gammastrahlen-Neutronenstern mit sehr hoher Energie (VHE) bestehen.
Bisher wurden nur zwei dieser Systeme gefunden, von denen das zweite erst vor wenigen Jahren von einem Team internationaler Astronomen entdeckt wurde, das als VERITAS-Kollaboration (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) bekannt ist. Die Entdeckung war nicht nur ein seltener Fund, sondern auch ein großes Glück, da das ungewöhnliche Verhalten, das sie von diesem System aus beobachteten, erst 2067 wieder auftreten wird.
Einfach ausgedrückt sind Neutronensterne die dichten Überreste eines Sterns, der in einer Supernova explodiert ist und ein extrem dichtes, kompaktes Objekt zurücklässt, das sich schnell dreht. Dies führt dazu, dass ein Neutronenstern starke Magnetfelder erzeugt, die seine Strahlung auf einen engen Strahl fokussieren, der bei Betrachtung von der Kante her wie ein Leuchtturm erscheint. Wenn sich diese Strahlen mit der Erde schneiden, können Astronomen diese Impulse bei Radio- und anderen Wellenlängen erfassen.
Da es bei massereichen Sternen üblich ist, binäre Paare zu bilden, ist es nicht verwunderlich, dass einige Pulsare einen umlaufenden Begleiter haben, der die Supernova seines Partners überlebt hat. Es ist auch üblich, dass diese Systeme Trümmerscheiben haben, die vom sich schnell drehenden Pulsar betroffen sind. Wenn Strahlung mit Trümmern kollidiert, entstehen geladene Teilchen, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können, was zu Gammastrahlen mit sehr hoher Energie (VHE) führt.
Mit den vier 12-m-Teleskopen am Fred Lawrence Whipple Observatory, das vom Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) betrieben wird, begann die VERITAS-Zusammenarbeit bereits 2016 mit der Verfolgung eines VHE-Gammastrahlen-Pulsarsystems. Diese Quelle befindet sich in einem riesigen Sternenkindergarten etwa 5000 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung der Cygnus-Konstellation.
Mit Hilfe eines Teams von Astronomen, die die beiden 17-m-Cherenkov-Teleskope (Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) (am Observatorium El Roque de Los Muchachos auf den Kanarischen Inseln) verwendeten, stellte das Team fest, dass der Pulsar einen massiven Sternbegleiter hatte das umkreiste es alle 50 Jahre in einer extrem elliptischen Umlaufbahn. Die beiden Teams berechneten auch, dass die Sterne bis zum 13. November 2017 an den nächstgelegenen Punkten in ihrer Umlaufbahn sein würden und erst 2067 wieder sein würden.
Die Direktoren der VERITAS-Zusammenarbeit hatten zuvor mit anderen Astronomen zusammengearbeitet, um dieses System vor, während und nach seiner engsten Annäherung zu überwachen. Mit den vier Teleskopen des Fred Lawrence Whipple Observatory erkannten sie die Gammastrahlen der extrem kurzen Blitze der Cherenkov-Strahlung, die am Himmel auftreten, wenn sie von der Erdatmosphäre absorbiert werden.
Erste Beobachtungen, die 2016 durchgeführt wurden, ergaben schwache Gammastrahlenemissionen, die mit der Tatsache übereinstimmten, dass das binäre System in ein Sternenkinderzimmer eingebettet war. "Diese niedrige, konstante Emission stammt höchstwahrscheinlich von einem Nebel, der kontinuierlich vom Pulsar angetrieben wird", sagte Ralph Bird, ein Postdoktorand an der Universität von Kalifornien in Los Angeles, der eine führende Rolle in der VERITAS-Kampagne spielte.
Die Wissenschaftler warteten daher darauf, dass die Sterne den nächstgelegenen Punkt in ihrer Umlaufbahn erreichten, um zu sehen, ob sich etwas ändern würde. Alicia López Oramas, eine Forscherin bei MAGIC am Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) und eine der entsprechenden Autoren der Studie, sagte: „Von einem solch einzigartigen System wurde erwartet, dass es bei diesem Ansatz Gammastrahlen mit sehr hoher Energie emittiert und diese Gelegenheit konnte nicht verpasst werden. “
Im September begannen sich die Dinge drastisch zu ändern. Tyler Williamson, ein Doktorand der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität von Delaware und ein weiterer wichtiger Mitarbeiter von VERITAS, erklärte:
„Der Gammastrahlenfluss, den wir im September beobachtet haben, war doppelt so hoch wie der vorherige Wert. Bei der nächsten Annäherung zwischen Stern und Pulsar im November 2017 stieg der Fluss in nur einer Nacht um das Zehnfache. “
Um dieses Verhalten zu erklären, hat das Team theoretische Modelle, die auf den neuesten Theorien über Pulsare, Trümmerscheiben und die daraus resultierenden Emissionen basieren, mit ihren Beobachtungen abgeglichen. Dies erwies sich als erfolglos, was sie zu dem Schluss führte, dass bedeutende Überarbeitungen erforderlich sind, einschließlich besserer Informationen über die Begegnung zwischen den beiden Sternen.
Kurz gesagt, es sind weitere Beobachtungen dieses Binärpaars erforderlich, bevor eine ordnungsgemäße Modellierung durchgeführt werden kann. Dies ist nicht überraschend, da dieses System nur der zweite Fall eines binären Pulsarsystems ist, das eine VHE-Gammastrahlenemission zeigt. Trotzdem waren die von den beiden Teams gesammelten Beobachtungen von unschätzbarem Wert, da alle vorherigen Erklärungen zum Verhalten von VHE-Gammastrahlen-Pulsar-Binärdateien Spekulationen waren.
In den kommenden Jahren planen die Wissenschaftler, diesen und andere Pulsare weiter zu beobachten, um das exotische Verhalten dieses extremen Objekttyps zu überwachen. Und wenn für dieses spezielle System geeignete Modelle entwickelt werden können, ist dies für Wissenschaftler von immensem Wert und bietet Einblicke in die Entstehung und Entwicklung kompakter Objekte - von Pulsaren bis hin zu binären Schwarzlochsystemen.
Wystan Benbow, Astrophysiker bei der CfA, erklärte: "Die fortgesetzten Investitionen in den Betrieb einzigartiger, hochmoderner Einrichtungen wie VERITAS sind von entscheidender Bedeutung und werden weitere Möglichkeiten für eine transformative Wissenschaft bieten."
Die VERITAS-Zusammenarbeit besteht aus einer Gruppe von 80 Wissenschaftlern aus 20 Institutionen in den USA, Kanada, Deutschland und Irland. Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in der Astrophysical Journal Letters. Das Fred Lawrence Whipple Observatory wird vom Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) betrieben.
