Kosmische stralen - deeltjes die zijn versneld tot bijna de snelheid van het licht - stromen de hele tijd uit onze zon, hoewel ze positief traag zijn in vergelijking met wat Ultra-High-Energy Cosmic Rays (UHECR's) worden genoemd. Dit soort kosmische straling is afkomstig van bronnen buiten het zonnestelsel en is veel energieker dan die van onze zon, maar ook veel zeldzamer. De fusie tussen een witte dwerg en een neutronenster of een zwart gat kan een van de bronnen van deze stralen zijn, en dergelijke fusies kunnen vaak genoeg optreden om de belangrijkste bron van deze energetische deeltjes te zijn.
De Sloan White dwArf Radial velocity data Mining Survey (SWARMS) - die deel uitmaakt van de Sloan Digital Sky Survey - heeft onlangs een binair systeem van exotische objecten blootgelegd op slechts 50 parsecs afstand van het zonnestelsel. Dit systeem, SDSS 1257 + 5428 genaamd, lijkt een witte dwergster te zijn die in een baan om een neutronenster of een zwart gat met een lage massa draait. Details over het systeem en de eerste ontdekking ervan zijn te vinden in een paper van Carles Badenes, et al. hier.
Medeauteur Todd Thompson, assistent-professor aan de afdeling Astronomie van de Ohio State University, betoogt in een recente brief aan The Astrophysical Journal Letters dat dit type systeem, en de daaropvolgende samensmelting van deze exotische overblijfselen van sterren, alledaags kan zijn en verantwoordelijk zou kunnen zijn voor het aantal UHECR's dat momenteel wordt waargenomen. De samensmelting tussen de witte dwerg en de neutronenster of het zwarte gat kan ook een zwart gat met een lage massa creëren, een zogenaamd "baby" zwart gat.
Thompson schreef in een e-mailinterview:
"Witte dwerg / neutronenster of binaries met een zwart gat worden als vrij zeldzaam beschouwd, hoewel er in de literatuur een enorm bereik is in het aantal per Melkwegachtig stelsel. SWARMS was de eerste die een dergelijk systeem detecteerde met behulp van de "radiale snelheid" -techniek, en de eerste die een dergelijk object zo dichtbij vond, op slechts 50 parsecs afstand (ongeveer 170 lichtjaar). Om deze reden was het zeer verrassend en vanwege de relatieve nabijheid konden we het argument maken dat deze systemen vrij algemeen moeten zijn in vergelijking met de meeste eerdere verwachtingen. SWARMS had veel geluk moeten hebben om zoiets zeldzaams zo dichtbij te zien. ”
Thompson, et al. stellen dat dit type fusie de belangrijkste bron van UHECR's in het Melkwegstelsel zou kunnen zijn, en dat men om de 2000 jaar in het melkwegstelsel zou moeten opgaan. Dit soort fusies komen mogelijk iets minder vaak voor dan Type Ia supernovae, die hun oorsprong vinden in binaire systemen van witte dwergen.
Een witte dwerg die overgaat in een neutronenster, zou ook een zwart gat met een lage massa creëren van ongeveer driemaal de massa van de zon. Thompson zei: 'In feite is dit scenario waarschijnlijk omdat we denken dat neutronensterren niet boven de 2-3 maal de massa van de zon kunnen bestaan. Het idee is dat de WD zou worden verstoord en op de neutronenster zou insluiten en dat de neutronenster dan zou instorten tot een zwart gat. In dit geval zien we misschien het signaal van BH-vorming in zwaartekrachtgolven. '
De zwaartekrachtgolven die bij een dergelijke fusie worden geproduceerd, zouden boven het detecteerbare bereik liggen door het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), een instrument dat lasers gebruikt om zwaartekrachtgolven te detecteren (waarvan er nog geen zijn gedetecteerd), en mogelijk zelfs een op afstand van elkaar gelegen zwaartekrachtsgolven, NASA's Laser Interferometer Space Antenna, LISA.
Gemeenschappelijke kosmische straling die van onze zon komt, heeft een energie op de schaal van 10 ^ 7 tot 10 ^ 10 elektronvolt. Ultrahoogenergetische kosmische straling is een zeldzaam fenomeen, maar overschrijdt 10 ^ 20 elektronvolt. Hoe produceren systemen zoals SDSS 1257 + 5428 kosmische straling met zo'n hoge energie? Thompson legde uit dat er twee even fascinerende mogelijkheden zijn.
In het eerste geval zou de vorming van een zwart gat en de daaropvolgende aanwasschijf van de fusie een straal genereren die ongeveer lijkt op die in het centrum van sterrenstelsels, het veelbetekenende teken van een quasar. Hoewel deze jets veel, veel kleiner zouden zijn, zouden de schokgolven aan de voorkant van de jet deeltjes versnellen tot de nodige energieën om UHECR's te creëren, zei Thompson.
In het tweede scenario steelt de neutronenster materie van de witte dwerggenoot en deze aanwas begint snel te roteren. De magnetische spanningen die zich aan het oppervlak van de neutronenster, of 'magnetar', opbouwen, zouden in staat kunnen zijn om alle deeltjes die met het intense magnetische veld interageren tot ultrahoge energieën te versnellen.
De creatie van deze ultra-hoogenergetische kosmische straling door dergelijke systemen is zeer theoretisch, en hoe vaak ze in ons sterrenstelsel voorkomen, is slechts een schatting. Zo snel na de ontdekking van SDSS 1257 + 5428 blijft onduidelijk of het begeleidende object van de witte dwerg een zwart gat of een neutronenster is. Maar het feit dat SWARMS zo vroeg in het onderzoek zo'n ontdekking deed, is bemoedigend voor de ontdekking van verdere exotische binaire systemen.
“Het is niet waarschijnlijk dat SWARMS 10 of 100 meer van dergelijke systemen zal zien. Als dat wel het geval was, zou het percentage van dergelijke fusies erg (onwaarschijnlijk) hoog zijn. Dat gezegd hebbende, we zijn al vele keren verrast geweest. Echter, gezien de totale oppervlakte van de onderzochte lucht, zou SWARMS, als onze schatting van het percentage van dergelijke fusies correct is, nog maar ongeveer 1 dergelijk systeem zien, en mogelijk zien ze er geen. Een soortgelijk onderzoek aan de zuidelijke hemel (er is momenteel niets vergelijkbaar met de Sloan Digital Sky Survey, waarop SWARMS is gebaseerd) zou ongeveer 1 zo'n systeem moeten opleveren, ”zei Thompson.
Waarnemingen van SDSS 1257 + 5428 zijn al gedaan met het Swift X-ray observatorium en er zijn enkele metingen gedaan in het radiospectrum. Er was geen bron van gammastraling te vinden in de locatie van het systeem met behulp van de Fermi-telescoop.
Thompson zei: 'Waarschijnlijk de belangrijkste aanstaande observatie van het systeem is om via parallax een echte afstand te krijgen. Op dit moment is de afstand gebaseerd op de eigenschappen van de waargenomen witte dwerg. In principe,
het zou relatief eenvoudig moeten zijn om het systeem het komende jaar te bekijken en een parallax-afstand te krijgen, wat veel van de onzekerheden rond de fysieke eigenschappen van de witte dwerg zal verlichten. ”
Bron: Arxiv, e-mailinterview met Todd Thompson
