Pulsars zijn de snel draaiende lijken van zware sterren. Een zo'n mysterie: waarom hebben pulsars hotspots van miljoenen graden om hun polen? Nieuwe gegevens van ESA's XMM-Newton X-Ray observatorium hebben de theorie in twijfel getrokken dat geladen deeltjes in botsing komen met het oppervlak van de pulsar aan de polen. XMM-Newton kon de röntgenemissies in verschillende oude pulsars niet zien, die heel helder hadden moeten zijn als er continu deeltjes zouden botsen.
De supergevoeligheid van ESA's XMM-Newton X-ray observatorium heeft aangetoond dat de heersende theorie over hoe stellaire lijken, ook wel pulsars genoemd, hun röntgenstralen genereren, moet worden herzien. In het bijzonder kan de energie die nodig is om de poolhotspots van miljoenen graden te genereren die op koelneutronensterren worden waargenomen, voornamelijk van binnenuit de pulsar komen, niet van buitenaf.
Negenendertig jaar geleden ontdekten de Cambridge-astronomen Jocelyn Bell-Burnell en Anthony Hewish de pulsars. Deze hemellichamen zijn de sterk gemagnetiseerde draaiende kernen van dode sterren, die elk slechts 20 kilometer breed zijn en toch ongeveer 1,4 keer de massa van de zon bevatten. Zelfs vandaag de dag verbazen ze astronomen over de hele wereld.
"De theorie hoe pulsars hun straling uitzenden staat nog in de kinderschoenen, zelfs na bijna veertig jaar werk", zegt Werner Becker, Max-Planck Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Duitsland. Er zijn veel modellen, maar geen geaccepteerde theorie. Dankzij nieuwe XMM-Newton-waarnemingen hebben Becker en collega's mogelijk een cruciaal stukje van de puzzel gevonden dat theoretici zal helpen verklaren waarom afkoelende neutronensterren hotspots hebben in hun poolgebieden.
Neutronensterren worden gevormd met temperaturen van meer dan miljard (1012 K) graden tijdens het instorten van zware sterren. Zodra ze geboren zijn, beginnen ze af te koelen. Hoe ze afkoelen, moet afhangen van de fysieke eigenschappen van de superdense materie erin.
Waarnemingen met eerdere röntgensatellieten hebben aangetoond dat de röntgenstralen van koelende neutronensterren afkomstig zijn uit drie gebieden van de pulsar. Ten eerste is het hele oppervlak zo heet dat het röntgenstralen uitzendt. Ten tweede zijn er geladen deeltjes in de magnetische omgeving van de pulsar die ook röntgenstralen uitzenden als ze naar buiten bewegen, langs de magnetische veldlijnen. Ten derde, en cruciaal voor dit laatste onderzoek, tonen jongere pulsars röntgenhotspots aan hun polen.
Tot nu toe waren astronomen van mening dat hotspots worden geproduceerd wanneer de geladen deeltjes op de polen botsen met het oppervlak van de pulsar. De laatste resultaten van XMM-Newton hebben deze opvatting echter in twijfel getrokken.
XMM-Newton legde gedetailleerde beelden vast van de röntgenstraling van vijf pulsars, die elk tot enkele miljoenen jaren oud waren. 'Geen enkele andere röntgensatelliet kan dit werk doen. Alleen XMM-Newton is in staat om details van hun röntgenstraling te observeren ”, zegt Becker. Hij en zijn medewerkers vonden geen bewijs van oppervlakte-emissie, noch van polaire hotspots, hoewel ze wel emissie zagen van de naar buiten bewegende deeltjes.
Het ontbreken van oppervlakte-emissie is geen verrassing. In de vele miljoenen jaren sinds hun geboorte zijn deze pulsars afgekoeld van miljarden graden tot veel minder dan 500.000 graden Celsius, wat betekent dat hun oppervlaktebrede röntgenstraling uit het zicht is verdwenen.
Het ontbreken van de polaire hotspots in oude pulsars is echter een grote verrassing en laat zien dat de verwarming van de polaire oppervlaktegebieden door deeltjesbeschieting niet efficiënt genoeg is om een significante thermische röntgencomponent te produceren. "In het geval van een drie miljoen jaar oude pulsar PSR B1929 + 10 is de bijdrage van elk verwarmd polair gebied minder dan zeven procent van de totale gedetecteerde röntgenflux", zegt Becker.
Het lijkt erop dat de conventionele kijk niet de enige manier is om naar het probleem te kijken. Een alternatieve theorie is dat de warmte die sinds de geboorte in de pulsar zit, door het intense magnetische veld in de pulsar naar de polen wordt geleid. Dit komt omdat de warmte wordt gedragen door elektronen, die elektrisch worden geladen en dus worden gestuurd door magnetische velden.
Dit betekent dat de polaire hotspots in jongere pulsars voornamelijk worden geproduceerd door warmte binnen de pulsar, in plaats van door de botsing van deeltjes van buiten de pulsar. Ze zullen daarom op dezelfde manier uit het zicht verdwijnen als de oppervlakte-brede emissie. "Deze mening wordt nog steeds besproken, maar wordt zeer ondersteund door de nieuwe XMM-Newton-waarnemingen", zegt Becker.
Bijna veertig jaar na de ontdekking van pulsars, lijkt het erop dat oude pulsars nog steeds nieuwe trucs hebben om astronomen te leren.
Oorspronkelijke bron: ESA News Release
