Pulsar RX J0720.4-3125 gevangen genomen door XMM-Newton. Klik om te vergroten
ESA's in een baan draaiende röntgentelescoop, de XMM-Newton-sterrenwacht, heeft een uit de hand gelopen neutronenster gevonden. De algehele temperatuur van het object verandert niet, het tuimelt gewoon en geeft langzaam verschillende gebieden weer aan waarnemers hier op aarde - als een wiebelend topje. Deze waarnemingen helpen astronomen om enkele van de interne processen die dit soort objecten beheersen te begrijpen.
Met behulp van gegevens van ESA's XMM-Newton X-ray observatorium ontdekte een internationale groep astrofysici dat één draaiende neutronenster niet de stabiele rotator lijkt die wetenschappers zouden verwachten. Deze röntgenobservaties beloven nieuwe inzichten te geven in de thermische evolutie en uiteindelijk in de inwendige structuur van neutronensterren.
Spinnende neutronensterren, ook wel pulsars genoemd, staan algemeen bekend als zeer stabiele rotatoren. Dankzij hun periodieke signalen, uitgezonden in de radio of in de röntgengolflengte, kunnen ze dienen als zeer nauwkeurige astronomische 'klokken'.
De wetenschappers ontdekten dat de temperatuur van een enigmatisch object, genaamd RX J0720.4-3125, de afgelopen vier en een half jaar bleef stijgen. Zeer recente waarnemingen hebben echter aangetoond dat deze trend is omgedraaid en dat de temperatuur nu daalt.
Volgens de wetenschappers is dit effect niet te wijten aan een echte temperatuurvariatie, maar aan een veranderende kijkgeometrie. RX J0720.4-3125 is hoogstwaarschijnlijk ‘precessie’, dat wil zeggen dat het langzaam aan het tuimelen is en daarom stelt het na verloop van tijd de verschillende delen van het oppervlak bloot aan de waarnemers.
Neutronensterren zijn een van de eindpunten van de evolutie van sterren. Met een massa die vergelijkbaar is met die van onze zon, opgesloten in een bol met een diameter van 20-40 km, is hun dichtheid zelfs iets hoger dan die van een atoomkern - een miljard ton per kubieke centimeter. Kort na hun geboorte in een supernova-explosie is hun temperatuur in de orde van grootte van 1 000 000 graden Celsius en valt het grootste deel van hun thermische emissie in de röntgenband van het elektromagnetische spectrum. Jonge geïsoleerde neutronensterren koelen langzaam af en het duurt een miljoen jaar voordat ze te koud worden om waarneembaar te zijn in röntgenstralen.
Het is bekend dat neutronensterren zeer sterke magnetische velden bezitten, doorgaans enkele biljoen keer sterker dan die van de aarde. Het magnetische veld kan zo sterk zijn dat het het warmtetransport van het stellaire interieur door de korst beïnvloedt, wat leidt tot hete plekken rond de magnetische polen op het steroppervlak.
Het is de emissie van deze warmere poolkappen die het röntgenspectrum domineert. Er zijn maar een paar geïsoleerde neutronensterren bekend van waaruit we direct de thermische emissie van het oppervlak van de ster kunnen waarnemen. Een daarvan is RX J0720.4-3125, roterend met een periode van ongeveer acht en een halve seconde. "Gezien de lange koeltijdschaal was het daarom zeer onverwacht dat het röntgenspectrum in de loop van een paar jaar veranderde", zegt Frank Haberl van het Max-Planck-Instituut voor Buitenaardse Fysica in Garching (Duitsland), die het onderzoek leidde groep.
'Het is zeer onwaarschijnlijk dat de globale temperatuur van de neutronenster zo snel verandert. We zien eerder verschillende delen van het stellaire oppervlak op verschillende tijdstippen. Dit wordt ook waargenomen tijdens de rotatieperiode van de neutronenster wanneer de hotspots in en uit onze gezichtslijn bewegen, en dus hun bijdrage aan de totale emissieveranderingen, ”vervolgde Haberl.
Een soortgelijk effect op een veel langere tijdschaal kan worden waargenomen wanneer de neutronenster voorafgaat (vergelijkbaar met een tol). In dat geval beweegt de rotatie-as zelf rond een kegel, wat leidt tot een langzame verandering van de kijkgeometrie door de jaren heen. Vrije precessie kan worden veroorzaakt door een lichte vervorming van de ster vanuit een perfecte bol, die zijn oorsprong kan hebben in het zeer sterke magnetische veld.
Tijdens de eerste XMM-Newton-waarneming van RX J0720.4-3125 in mei 2000 was de waargenomen temperatuur minimaal en was de koelere, grotere plek overwegend zichtbaar. Aan de andere kant, vier jaar later (mei 2004) bracht de precessie vooral de tweede, hetere en kleinere plek in beeld, die de waargenomen temperatuurstijging deed toenemen. Dit verklaart waarschijnlijk de waargenomen variatie in temperatuur en emitterende gebieden en hun anticorrelatie.
In hun werk ontwikkelden Haberl en collega's een model voor RX J0720.4-3125 dat veel van de eigenaardige kenmerken kan verklaren die tot nu toe een uitdaging waren om uit te leggen. In dit model wordt de temperatuurverandering op lange termijn veroorzaakt door de verschillende fracties van de twee hete poolkappen die in zicht komen als de ster voorafgaat met een periode van ongeveer zeven tot acht jaar.
Om een dergelijk model te laten werken, moeten de twee emitterende poolgebieden verschillende temperaturen en afmetingen hebben, zoals onlangs is voorgesteld in het geval van een ander lid van dezelfde klasse van geïsoleerde neutronensterren.
Volgens het team is RX J0720.4-3125 waarschijnlijk het beste geval om de precessie van een neutronenster te bestuderen via de röntgenstraling die direct zichtbaar is vanaf het stellaire oppervlak. Precessie kan een krachtig hulpmiddel zijn om het binnenste van de neutronenster te onderzoeken en meer te weten te komen over de toestand van de materie onder omstandigheden die we niet in het laboratorium kunnen produceren.
Aanvullende XMM-Newton-waarnemingen zijn gepland om dit intrigerende object verder te volgen. "We zetten de theoretische modellering voort waarvan we hopen meer te leren over de thermische evolutie, de magnetische veldgeometrie van deze specifieke ster en de inwendige structuur van neutronensterren in het algemeen", concludeerde Haberl.
Oorspronkelijke bron: ESA Portal
