Wanneer massieve sterren het einde van hun levenscyclus bereiken, exploderen ze in een enorme supernova en werpen ze het grootste deel van hun materiaal af. Wat overblijft is een "milliscond pulsar", een super dichte, sterk gemagnetiseerde neutronenster die snel ronddraait en stralen van elektromagnetische straling uitzendt. Uiteindelijk verliezen deze sterren hun rotatie-energie en beginnen ze te vertragen, maar ze kunnen weer versnellen met de hulp van een metgezel.
Volgens een recente studie was een internationaal team van wetenschappers getuige van deze zeldzame gebeurtenis bij het observeren van een ultra-langzame pulsar in het naburige Andromeda-sterrenstelsel (XB091D). De resultaten van hun onderzoek gaven aan dat deze pulsar de afgelopen miljoen jaar versnelde, wat waarschijnlijk het gevolg is van een gevangengenomen metgezel die sindsdien zijn hoge rotatiesnelheid heeft hersteld.
Wanneer een pulsars gepaard gaat met een gewone ster, is het resultaat doorgaans een binair systeem bestaande uit een pulsar en een witte dwerg. Dit gebeurt nadat de pulsar de buitenste lagen van een ster heeft verwijderd en er een witte dwerg van heeft gemaakt. Het materiaal van deze buitenste laag vormt dan een accretieschijf rond de pulsar, wat een 'hotspot' creëert die helder straalt in het röntgenspectrum en waar temperaturen kunnen oplopen tot in de miljoenen graden.
Het team stond onder leiding van Ivan Zolotukhin van het Sternberg Astronomical Institute van de Lomonosov Moscow State University (MSU) en bestond uit astronomen van de Universiteit van Toulouse, het National Institute for Astrophysics (INAF) en het Smithsonian Astrophysical Observatory. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal onder de titel "De langzaamst draaiende röntgenpulsar in een extragalactische bolhoop".
Zoals ze in hun paper stellen, werd de detectie van deze pulsar mogelijk gemaakt dankzij gegevens die werden verzameld door het XMM-Newton-ruimtetelescoop uit 2000-2013. In deze tijd heeft XMM-Newton informatie verzameld over ongeveer 50 miljard röntgenfotonen, die door astronomen van de Lomosov MSU is gecombineerd tot een open online database.
Dankzij deze database konden astronomen veel eerder ontdekte objecten nader bekijken. Dit omvat XB091D, een pulsar met een periode van seconden (ook bekend als een "tweede pulsar") in een van de oudste bolvormige sterrenhopen in het Andromeda-sterrenstelsel. Het vinden van de röntgenfoto's waarmee ze de XB091D zouden kunnen karakteriseren, was echter geen gemakkelijke taak. Zoals Ivan Zolotukhin uitlegde in een MSU-persbericht:
“De detectoren op XMM-Newton detecteren elke vijf seconden slechts één foton van deze pulsar. Daarom kan de zoektocht naar pulsars tussen de uitgebreide XMM-Newton-gegevens worden vergeleken met de zoektocht naar een naald in een hooiberg. In feite moesten we voor deze ontdekking volledig nieuwe wiskundige tools maken waarmee we het periodieke signaal konden zoeken en extraheren. Theoretisch zijn er veel toepassingen voor deze methode, ook buiten de astronomie. ”
Op basis van in totaal 38 XMM-Newton-waarnemingen concludeerde het team dat deze pulsar (destijds de enige bekende pulsar in zijn soort buiten ons sterrenstelsel) zich in de vroegste stadia van "verjonging" bevindt. Kortom, hun waarnemingen gaven aan dat de pulsar minder dan 1 miljoen jaar geleden begon te versnellen. Deze conclusie was gebaseerd op het feit dat XB091D de langzaamst draaiende bolvormige clusterpulsar is die tot nu toe is ontdekt.
De neutronenster voltooit één omwenteling in 1,2 seconden, wat meer dan 10 keer langzamer is dan de vorige recordhouder. Uit de gegevens die ze hebben waargenomen, konden ze ook de omgeving rond XB091D karakteriseren. Ze ontdekten bijvoorbeeld dat de pulsar en zijn binaire paar zich in een extreem dichte bolhoop (B091D) in het Andromedastelsel bevinden - op ongeveer 2,5 miljoen lichtjaar afstand.
Deze cluster is naar schatting 12 miljard jaar oud en bevat miljoenen oude, zwakke sterren. Het is zijn metgezel ondertussen een ster van 0,8 zonsmassa en het binaire systeem zelf heeft een rotatieperiode van 30,5 uur. En over ongeveer 50.000 jaar, schatten ze, zal de pulsar voldoende versnellen om opnieuw een rotatieperiode te laten meten in de milliseconden - dat wil zeggen een milliseconde pulsar.
Interessant is dat de locatie van de XB910D in dit uitgestrekte gebied met sterren met een superhoge dichtheid het ongeveer 1 miljoen jaar geleden mogelijk maakte om een metgezel te vangen en het proces 'verjonging' in de eerste plaats te starten. Zoals Zolotukhin uitlegde:
“In ons sterrenstelsel worden dergelijke langzame röntgenpulsars niet waargenomen in 150 bekende bolhopen, omdat hun kernen niet groot en dicht genoeg zijn om voldoende dubbelsterren te vormen met een voldoende hoge snelheid. Dit geeft aan dat de B091D-clusterkern, met een extreem dichte samenstelling van sterren in de XB091D, veel groter is dan die van de gebruikelijke cluster. We hebben dus te maken met een groot en tamelijk zeldzaam object - met een dicht overblijfsel van een klein sterrenstelsel dat het Andromedastelsel ooit heeft verslonden. De dichtheid van de sterren hier, in een gebied met een diameter van ongeveer 2,5 lichtjaar, is ongeveer 10 miljoen keer hoger dan in de buurt van de zon. ”
Dankzij deze studie en de wiskundige hulpmiddelen die het team heeft ontwikkeld om het te vinden, zullen astronomen de komende jaren waarschijnlijk veel eerder ontdekte objecten opnieuw kunnen bezoeken. Binnen deze enorme datasets kunnen er veel voorbeelden zijn van zeldzame astronomische gebeurtenissen, die erop wachten om te worden gezien en naar behoren te worden gekarakteriseerd.
Verder lezen: The Astrophysical Journal, Lomonosov Staatsuniversiteit van Moskou
