14 april 2024

Kameleontische pulsar tart theorie

Een internationaal team onder leiding van Nederlandse sterrenkundigen (SRON, ASTRON, UvA) heeft een verrassende ontdekking gedaan over de manier waarop pulsars straling uitzenden. De uitstoot van radio- en röntgenstraling door deze pulserende neutronensterren blijkt binnen enkele seconden gelijktijdig te kunnen veranderen, op een manier die niet te verklaren is met de gangbare theorieën. Het duidt op een snelle verandering van de hele magnetosfeer. De waarnemingen zijn gedaan met onder andere de ruimtetelescoop XMM-Newton en de LOFAR-telescoop; de resultaten van het onderzoek verschijnen 25 januari in Science.

Pulsars

Op deze illustratie is een pulsar te zien met heldere bundels radiostraling vanaf de magnetische polen.

Op deze illustratie is een pulsar te zien met heldere bundels radiostraling vanaf de magnetische polen. Credit: ESA/ATG medialab

Pulsars zijn neutronensterren met ongeveer de massa van de zon maar met een diameter van slechts circa 20 kilometer. Ze hebben een zeer sterk magneetveld, dat ongeveer een miljoen keer sterker is dan de sterkste velden die we in een laboratorium op aarde kunnen maken. Pulsars draaien snel om hun as, in milliseconden tot seconden, en zenden als vuurtorens bundels van straling de ruimte in. Als de aarde in de lijn van deze bundels ligt, is een regelmatig patroon van pulsen te zien. Vandaar de naam pulsars. Deze pulsars zijn in 1967 ontdekt aan de hand van hun radiostraling. Maar er is nog altijd geen overeenstemming over hoe precies die gepulste radiostraling wordt geproduceerd. We weten wel dat die ontstaat iets boven de magnetische polen, waar extreme omstandigheden heersen. Bovendien is de puls niet altijd regelmatig. Eerdere waarnemingen van de radiostraling van pulsar PSR B0943+10 hebben bijvoorbeeld laten zien dat de bundel radiostraling van de pulsar om de paar uur in een paar seconden een factor twee helderder wordt of juist zwakker. Het is alsof de magnetosfeer van de pulsar in twee verschillende toestanden kan verkeren. Andere pulsars gaan zelfs plotseling helemaal uit en weer aan, of veranderen steeds op dezelfde manier de vorm van de radiopulsen. Sterrenkundigen weten nog niet wat de oorzaak is van deze fenomenen, maar zoeken de verklaring nu in een abrupte en omkeerbare verandering van de hele magnetosfeer.

Twee ‘radiotoestanden’

Deze illustratie toont een pulsar met 'hot-spots' op de magnetische polen, waarschijnlijk de bron van röntgenstraling bij oude pulsars.

Deze illustratie toont een pulsar met ‘hot-spots’ op de magnetische polen, waarschijnlijk de bron van röntgenstraling bij oude pulsars. Credit: ESA/ATG medialab

Het team van sterrenkundigen wist dat de mogelijkheid bestond dat röntgenstraling van deze pulsars gelijktijdig zou veranderen met de omschakeling in radiostraling. Waarneming van de röntgenstraling in de twee ‘radiotoestanden’ van bijvoorbeeld PSR B0943+10 zou eindelijk inzicht kunnen geven in hoe het pulsarmechanisme werkt. PSR B0943+10 is echter een zwakke röntgenbron. Daarom vroeg sterrenkundige Wim Hermsen (SRON/UvA) namens het team waarneemtijd aan op XMM-Newton (ESA), op dit moment de gevoeligste ruimtetelescoop voor röntgenstraling. Vanaf de grond bepaalden Joeri van Leeuwen en Jason Hessels (ASTRON/UvA) met LOFAR continue in welke radiotoestand de pulsar zich bevond. De LOFAR-telescoop is ontworpen en gebouwd door ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie, en het onderzoek werd ondersteund door het internationale LOFAR-team. Van Leeuwen: “Zelfs in de testfase waarin we LOFAR gebruikten, was deze radiotelescoop al de gevoeligste ter wereld voor deze pulsars. Alleen daardoor konden we op de seconde nauwkeurig bepalen wanneer de pulsar van karakter veranderde”. Omdat de sterrenkundigen tijdens de röntgenwaarnemingen geen enkele toestandsovergang in de radiostraling mochten missen, werd ook simultaan met de GMRT-telescoop in India waargenomen.

Kameleontisch gedrag

Deze illustratie toont de twee toestanden waartussen de pulsar PSR B0943+10 kan schakelen. De pulsar staat erom bekend dat hij in de uitstoot van radiostraling schakelt tussen een 'heldere' en een 'rustige' toestand.

Deze illustratie toont de twee toestanden waartussen de pulsar PSR B0943+10 kan schakelen. De pulsar staat erom bekend dat hij in de uitstoot van radiostraling schakelt tussen een ‘heldere’ en een ‘rustige’ toestand. Credit: ESA/ATG medialab

Wim Hermsen: “Uit de waarnemingen bleek verrassend genoeg dat op het moment dat de radiostraling van de pulsar meer dan halveert, gelijktijdig twee maal zo veel röntgenstraling wordt uitgezonden, die ook nog alleen dan gepulst is. Lucien Kuiper (SRON) analyseerde de XMM-Newton-gegevens in detail. Hij toonde aan dat het lijkt alsof deze gepulste röntgenstraling van een hete plek op de magnetische pool komt, die verdwijnt zodra de radiostraling weer sterker wordt. Het opvallendste is dat deze gedaantewisseling binnen enkele seconden plaats vindt, waarna de pulsar in de nieuwe verschijning weer enkele uren een stabiele uitstoot van radio- en röntgenstraling vertoont. Dit gedrag kan niet worden verklaard met de bestaande theorieën over hoe straling in de magnetosfeer van pulsars wordt gevormd. Het is wel een sterke aanwijzing voor een snelle verandering van de hele magnetosfeer.” Dit totaal onverwachte, kameleontische gedrag van radiopulsar PSR B0943+10 geeft 45 jaar na de ontdekking van het bestaan van neutronensterren een nieuwe impuls aan het theoretisch onderzoek aan de natuurkundige processen die zich voordoen onder de extreme condities die heersen in de magnetosfeer van pulsars. Wim Hermsen heeft met zijn collega’s direct nieuwe waarneemtijd toegewezen gekregen op XMM-Newton. Gelijktijdig met een aantal radiotelescopen (de Westerbork-, GMRT- en Lovell-telescoop in Engeland) kunnen de sterrenkundigen nu ook de pulsar PSR B1822-09 observeren, die bij radiogolflengten vergelijkbare toestandsveranderingen vertoont als PSR B0943+10. Bron: SRON.

Share

Speak Your Mind

*