ESO:n teleskoopit ovat auttaneet pulsarin arvoituksen selvittämisessä

eso2315fi — Tutkimustiedote 30. elokuuta 2023, Turku

Tähtitieteilijät ovat paljastaneet pulsarin oudon käyttäytymisen syyn laajan havaintokampanjan avulla, johon osallistui 12 teleskooppia. Mukana oli sekä maassa että avaruudessa sijaitsevia havaintolaitteita, mukaan lukien kolme Euroopan eteläisen observatorion (ESO) yksikköä. Tämän salaperäisen kohteen kahden kirkkaustilan tiedetään vaihtuvan lähes jatkuvasti, minkä syy on tähän asti ollut arvoitus. Tähtitieteilijät ovat nyt havainneet, että hyvin lyhyiden jaksojen aikana pulsarista sinkoutuu purkausten aikana äkillisesti materiaa, mikä on näiden outojen muutosten syy.

Taiteilijan näkemys pursarista. Katso myös video, joka selväntää tapahtumia. Kuva ESO/M. Kornmesser.

"Olemme todistaneet poikkeuksellisia kosmisia tapahtumia, joissa valtavat määrät ainetta ammutaan avaruuteen kosmisten tykinkuulien tavoin sekunnin kymmenesosien aikaskaalassa pienestä, tiheästä taivaankappaleesta, joka pyörii uskomattoman suurilla nopeuksilla", sanoi Maria Cristina Baglio, New Yorkin yliopiston Abu Dhabin tutkija, joka on Italian kansallisesta astrofysiikan instituuttista (INAF), ja tänään Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistun artikkelin pääkirjoittaja.

Pulsari on nopeasti pyörivä, voimakasmagneettinen tähti, joka lähettää sähkömagneettista säteilyä keilamaisesti avaruuteen. Pyöriessään tämä sädekeila pyyhkäisee maailmankaikkeuden poikki muistuttaen ympäristöään skannaavaa majakkaa. Tähtitieteilijät havaitsevat kohdetta säteilykeilan leikatessa Maan näkösuunnan. Tämä saa meistä katsottuna tähden näyttämään kirkkaalta pulssilta.

PSR J1023+0038, tai lyhyesti J1023, on erityinen pulsarityyppi, joka käyttäytyy oudosti. Se sijaitsee noin 4 500 valovuoden päässä Sekstantin tähdistössä ja kiertää lähellä toista tähteä. Tämän vuosikymmenen aikana pulsari on aktiivisesti irrottanut kumppanistaan materiaa, joka kerääntyy pulsarin ympärillä olevaan kiekkoon ja putoaa hitaasti sitä kohti.  

Materian kertymisen alettua sädekeila käytännöllisesti katsoen katosi ja pulsari alkoi jatkuvasti vaihtaa tilaansa kahden eri tilan välillä. "Korkeassa" tilassa pulsari lähettää voimakasta röntgensäteilyä, ultraviolettisäteilyä ja näkyvää valoa, kun taas "matalassa" tilassa se himmenee näillä taajuuksilla ja emittoi enemmän radioaaltoja. Pulsari voi pysyä kussakin tilassa useita sekunteja tai minuutteja, minkä jälkeen se vaihtaa toiseen tilaan vain muutamassa sekunnissa. Tämä tilan vaihtumisen syy on ollut tähtitieteilijöille arvoitus. 

"Tämän pulsarin käyttäytymisen ymmärtämiseksi tehty ennennäkemätön havainnointikampanjamme sisälsi kymmenkunta huippuluokan maanpäällistä ja avaruudessa olevaa teleskooppia", sanoi Francesco Coti Zelati, tutkija avaruustieteiden instituutissa Barcelonassa, Espanjassa, ja artikkelin toinen pääkirjoittaja.

Havaintokampanjaan kuuluivat ESO:n VLT-teleskooppi (Very Large Telescope) ja ESO:n NTT-teleskooppi (New Technology Telescope), jotka havaitsivat näkyvää ja lähi-infrapuna-alueen valoa, sekä Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), jossa ESO on mukana kumppanina. Kahden yön aikana kesäkuussa 2021 tehdyissä havainnoissa he huomasivat kohteen tekevän yli 280 vaihdosta korkean ja matalan tilan välillä.

"Olemme havainneet, että tilan vaihtuminen johtuu monimutkaisesta vuorovaikutuksesta pulsarituulen, eli suurienergisten pulsarista poispäin liikkuvien hiukkasten virtauksesta, ja pulsaria kohti virtaavan materian välillä", sanoi Coti Zelati, joka on myös INAF:ista.

Matalassa tilassa pulsaria kohti virtaava materia karkaa kapeana suihkuna kohtisuoraan suuntaan kiekkoon nähden. Vähitellen materiaa kasaantuu lähemmäs ja lähemmäs pulsaria ja tämän tapahtuessa pulsarista ulospäin puhaltava tuuli osuu siihen, jolloin materia kuumenee. Pulsari on silloin korkeassa tilassa lähettäen voimasta röntgensäteilyä, ultraviolettisäteilyä ja näkyvää valoa. Lopulta pulsari poistaa kuuman aineen kasaumat suihkuna. Kun kiekossa on vähemmän kuumaa materiaa, pulsari ei ole enää niin kirkas ja tila vaihtuu takaisin matalaan tilaan.

Vaikka tämä löytö on selvittänyt J1023:n oudon käyttäytymisen arvoituksen, tähtitieteilijöillä on vielä paljon opittavaa tästä ainutlaatuisesta kohteesta. ESO:n teleskoopit ovat edelleen tähtitieteilijöiden apuna tämän erikoisen pulsarin havainnoissa. Erityisesti Chilessä rakenteilla oleva ESO:n ELT-teleskooppi (Extremely Large Telescope) tulee mahdollistamaan upean näkymän J1023:n tilan kytkentämekanismeihin. "Pystymme ELT:n avulla saamaan keskeistä tietoa siitä, miten pulsarin ympärille virtaavan materian määrä, jakautuminen, dynamiikka ja energia vaikuttavat tilan vaihtumisen tapaan" kertoi Sergio Campana lopuksi. Hän on INAF Breran observatorion tutkimusjohtaja ja yksi tutkimuksen kirjoittajista.

Lisätietoa

Tässä esitelty tutkimus julkaistaan Astronomy & Astrophysics (doi:10.1051/0004-6361/202346418) lehdessä.