Zaskakująca obserwacja gwiazdy neutronowej. Naukowcy zachwyceni

Spis treści:

1. Miękkie promieniowanie rentgenowskie
2. Dwa wiatry
3. Granica Eddingtona
4. Powolny i gęsty wiatr

Wystrzelony dwa lata temu kosmiczny teleskop XRISM prowadzi obserwacje obiektów emitujących promieniowanie rentgenowskie. Ma to pozwolić lepiej zrozumieć cały wachlarz kosmicznych zagwozdek: od ruchów materii, przez skład chemiczny gazu międzygwiazdowego i międzygalaktycznego, aż po wpływ czarnych dziur na powstawanie galaktyk i ewolucję Wszechświata. Za tym potężnym narzędziem astronomicznym stoją trzy agencje kosmiczne: japońska JAXA, NASA i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA).

Miękkie promieniowanie rentgenowskie

Dzisiaj na łamach prestiżowego magazynu „Nature” pojawił się artykuł opisujący zaskakujące dane z obserwacji prowadzonych przez jeden z instrumentów teleskopu na gwieździe neutronowej GX13+1. Mowa o Resolve, spektrometrze mikro-kalorymetrycznyM (micro-calorimeter) do obserwacji miękkiego promieniowania rentgenowskiego w zakresie ~0,3-12 keV.

Gwiazda neutronowa GX13+1 stanowi jasne źródło promieniowania rentgenowskiego, które pochodzi z tzw. dysku akrecyjnego. Gorąca materia dysku stopniowo opada spiralnie w dół, uderzając w powierzchnię gwiazdy neutronowej. Ten sposób zasilenia gwiazdy neutronowej wpływa również na generowane przez nią emisje. A te bezpośrednio wpływają na środowisko kosmiczne, przekształcając je.

Ale instrument Resolve, obserwujący te zdarzenia, wyjawił naukowcom znacznie więcej szczegółów niż oczekiwali. – Gdy tylko zobaczyliśmy bogactwo szczegółów w zebranych przez Resolve danych, poczuliśmy, że jesteśmy świadkami czegoś absolutnie przełomowego. Dla wielu z nas było to spełnienie marzenia, za którym goniliśmy przez dekady – powiedział Matteo Guainazzi, naukowiec projektu XRISM w ESA.

Dwa wiatry

Mowa o kosmicznych wiatrach generowanych przez tę gwiazdę neutronową. Wiatrach, które pojawiają się również w układach supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk. Wiatry te mogą wywoływać zapadanie się gigantycznych obłoków molekularnych, co wpływa bezpośrednio na powstawanie gwiazd. Z drugiej strony mogą też hamować proces formowania się gwiazd poprzez podgrzewanie i rozrywanie obłoków molekularnych. Astronomowie nazywają to „sprzężeniem zwrotnym” i podkreślają, że wiatry z supermasywnej czarnej dziury mogą kontrolować wzrost całej galaktyki macierzystej.

W tym miejscu wróćmy do obserwacji gwiazdy neutronowej. Badacze zdecydowali się skupić na niej, ponieważ jest bliżej nas niż supermasywna czarna dziura, a przede wszystkim jest jasna i łatwiejsza do prowadzenia obserwacji. Według założeń, mechanizmy generowania wiatrów z gwiazd neutronowych i supermasywnych czarnych dziur powinny się pokrywać.

W dodatku tuż przed planowanymi obserwacjami GX13+1 niespodziewanie stała się jeszcze jaśniejsza, osiągając, a nawet przekraczając teoretyczny pułap, znany jako granica Eddingtona. Mowa o teoretycznym limicie masy gwiazdy lub dysku akrecyjnego, przy którym promieniowanie generowane przez ciśnienie wyrównuje się z siłą grawitacji. Jeśli gwiazda przekroczy ten limit, jej luminacja jest tak wysoka, że zdmuchuje zewnętrzne warstwy obiektu, a masa osiąga swoją teoretyczną granicę.

Granica Eddingtona

Innymi słowy: im więcej materii opada na zwarty obiekt, taki jak czarna dziura lub gwiazda neutronowa, tym więcej energii jest uwalniane. Im szybciej energia jest uwalniana, tym większe ciśnienie wywiera ona na inny opadający materiał, wypychając więcej jej z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Na granicy Eddingtona ilość wytwarzanego światła o wysokiej energii jest zasadniczo wystarczająca, aby przekształcić niemal całą opadającą materię w wiatr kosmiczny.

Był to wyjątkowy i cudowny przypadek, że właśnie w takim momencie XRISM obserwował GX13+1. – Nawet gdybyśmy próbowali, nie moglibyśmy tego zaplanować. System przeszedł z około połowy swojej maksymalnej mocy promieniowania do czegoś znacznie intensywniejszego, tworząc wiatr gęstszy niż kiedykolwiek wcześniej – powiedział Chris Done z Uniwersytetu w Durham w Wielkiej Brytanii, główny naukowiec opisywanego badania.

Powolny i gęsty wiatr

Okazało się jednak, że ten wiatr był niespodziewanie powolny. Jego prędkość utrzymywała na poziomie około 1 miliona km/godz. A chociaż dla nas jest to prędkość nieosiągalna, to w porównaniu z wiatrami kosmicznymi wytwarzanymi w pobliżu granicy Eddingtona wokół supermasywnej czarnej dziury, które mogą osiągnąć 20 do 30 procent prędkości światła, czyli ponad 200 milionów km/godz., wiatr z GX13+1 miał wręcz ślimaczą prędkość.

– Wciąż jestem zaskoczony, jak „powolny” i gęsty jest ten wiatr. Tak gęsty, że zaciemnia wszystko wokół – mówił Chris Done. Skąd tak duża różnica? Według badaczy, problem może sprowadzać się do temperatury dysku akrecyjnego, który tworzy się wokół centralnego obiektu. Wbrew intuicji, supermasywne czarne dziury mają zazwyczaj dyski akrecyjne o niższej temperaturze niż dyski wokół układów podwójnych o masie gwiazdowej z czarnymi dziurami lub gwiazdami neutronowymi.

Naukowcy spekulują, że materia jest znacznie łatwiej absorbowana niż promieniowanie rentgenowskie, co może powodować szybsze wiatry obserwowane w układach czarnych dziur. Jeśli tak, odkrycie to może zmienić nasze rozumienie interakcji energii i materii w jednych z najbardziej ekstremalnych środowisk we Wszechświecie, zapewniając pełniejszy wgląd w złożone mechanizmy kształtujące galaktyki i napędzające kosmiczną ewolucję. Lepsze zrozumienie tego problemu może przynieść opracowywana właśnie misja NewAthena, przy której pracują również polscy naukowcy i inżynierowie.

Źródło: Nature

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.