Astronomowie po raz pierwszy zarejestrowali dziwny strumień przypominający zraszacz ogrodowy z gwiazdy neutronowej.

S-kształtna struktura strumienia powstaje z powodu zmiany kierunku strumienia spowodowanej kołysaniem dysku gorącego gazu wokół gwiazdy – proces znany jako precesja, który do tej pory był obserwowany w czarnych dziurach, ale nigdy w gwiazdach neutronowych.

Obiekt ten znajduje się w układzie podwójnym Circinus X-1, ponad 30 000 lat świetlnych od Ziemi, i powstał z jądra masywnej superolbrzymiej gwiazdy, która zapadła się mniej więcej w czasie budowy Stonehenge.

Obiekt ten jest tak gęsty, że łyżeczka jego materii waży tyle, co Mount Everest.

Układy podwójne składają się z dwóch grawitacyjnie związanych gwiazd. W przypadku Circinus X-1 jedną z tych gwiazd jest gwiazda neutronowa.

Gwiazdy neutronowe i czarne dziury to kosmiczne potwory, które powstają, gdy największe gwiazdy we wszechświecie umierają i zapadają się pod własnym ciężarem. Czarne dziury są znacznie masywniejsze i można je wykryć jedynie przez ich efekty grawitacyjne, podczas gdy gwiazdy neutronowe można bezpośrednio obserwować pomimo ich gęstości.

Są one jednymi z najbardziej ekstremalnych obiektów we wszechświecie z wnętrzem prawie całkowicie złożonym z neutronów.

Strumień wychodzący z gwiazdy neutronowej został zaobserwowany przez zespół astronomów z Uniwersytetu Oksfordzkiego, korzystających z MeerKAT – radioteleskopu w Południowej Afryce – w celu stworzenia najdokładniejszych obrazów Circinus X-1 do tej pory.

Pierwsza obserwacja strumienia w kształcie litery S
Te obrazy, zaprezentowane na National Astronomy Meeting na Uniwersytecie Hull, zawierają pierwszy obraz strumienia w kształcie litery S, pochodzącego z potwierdzonej gwiazdy neutronowej. Jest to przełom, który może pomóc w zrozumieniu ekstremalnej fizyki stojącej za tym astronomicznym zjawiskiem.

Szef zespołu badawczego Fraser Cowie stwierdził, że istnieje inny system znany z S-kształtnych strumieni, zwany SS433, ale najnowsze wyniki sugerują, że obiekt ten prawdopodobnie jest czarną dziurą.

"Ten obraz po raz pierwszy pokazuje silne dowody na precesyjny strumień z potwierdzonej gwiazdy neutronowej," powiedział Cowie.

"Te dowody pochodzą z symetrycznego kształtu litery S plazmy emitującej fale radiowe w strumieniach i z szybkich, szerokich fal uderzeniowych, które mogą być stworzone tylko przez strumień zmieniający kierunek."

"To dostarczy cennych informacji o ekstremalnej fizyce stojącej za wypuszczaniem strumieni, zjawiskiem, które wciąż nie jest dobrze zrozumiane."

Ogromna gęstość gwiazdy neutronowej tworzy silną siłę grawitacyjną, która zdziera gaz z towarzyszącej gwiazdy, tworząc dysk gorącego gazu wokół niej, który spiralnie zbliża się do jej powierzchni.

Ten proces, zwany akrecją, uwalnia ogromne ilości energii na sekundę z mocą większą niż milion Słońc. Część tej energii napędza strumienie – wąskie promienie materii, które wystrzeliwują z układu podwójnego z prędkościami bliskimi prędkości światła.

Wyniki badań i dalsze kroki
Najnowsze ulepszenia teleskopu MeerKAT przyniosły doskonałą czułość i obrazy o wysokiej rozdzielczości. Dzięki tym usprawnieniom zespół zaobserwował wyraźne dowody S-kształtnej struktury, podobnej do wody tryskającej z ogrodowego zraszacza, w strumieniu Circinus X-1.

Dodatkowo, badacze odkryli poruszające się fale uderzeniowe – po raz pierwszy zarejestrowane z układu podwójnego promieniowania rentgenowskiego. To są obszary, gdzie strumień gwałtownie uderza w otaczający materiał, powodując falę uderzeniową.

Zespół zmierzył fale poruszające się z prędkością około 10 procent prędkości światła, potwierdzając, że są one spowodowane szybkim strumieniem, a nie czymś wolniejszym, jak wiatry materii z gwiazd.

"Fakt, że te fale uderzeniowe obejmują szeroki kąt, pasuje do naszego modelu," powiedział Cowie. "Mamy więc dwa silne dowody, które mówią nam, że strumień gwiazdy neutronowej precesjonuje."

Pomiar prędkości fal uderzeniowych pomoże również astronomom zrozumieć, z czego składa się strumień, który je powoduje. Fale uderzeniowe działają jako akceleratory cząstek w kosmosie, produkując wysokoenergetyczne promienie kosmiczne, a maksymalna energia cząstek, które mogą być przyspieszone, zależy od ich prędkości.

"Circinus X-1 jest jednym z najjaśniejszych obiektów na rentgenowskim niebie i był badany przez ponad pół wieku," powiedział Cowie. "Mimo to, pozostaje jednym z najbardziej enigmatycznych systemów, które znamy."

"Następnymi krokami będzie kontynuowanie monitorowania strumieni i sprawdzanie, czy zmieniają się one z czasem w sposób, który oczekujemy. To pozwoli nam dokładniej zmierzyć ich właściwości i dalej poznawać ten zagadkowy obiekt."

Badania zostały przeprowadzone w ramach projektów X-KAT i ThunderKAT na teleskopie MeerKAT, którym zarządza Południowoafrykańskie Obserwatorium Radioastronomiczne (SARAO). Obserwacje zostały przeprowadzone przy użyciu niedawno zainstalowanych odbiorników S-band dostarczonych przez Instytut Maxa Plancka (MPG).

Źródło: Royal Astronomical Society