Voimakkaasti magnetoituneet neutronitähdet pyörivät kuin hyrrä
Turun yliopiston tutkijat määrittivät galaksissamme 21 000 valovuoden päässä sijaitsevan neutronitähden perusgeometrian. Löytö vahvistaa aiemmat oletukset siitä, että tähti muuttaa pyörimisakselinsa suuntaa kuin hyrrä.
Röntgenpulsarit ovat voimakkaasti magnetoituneita neutronitähtiä ja ne ovat yksi näkyvimmistä röntgenkohteista taivaalla. Vuoden 2021 lopussa toimintansa aloittanut International X-ray Polarimeter Explorer (IXPE) -avaruusobservatorio tarjoaa mahdollisuuden tarkkailla näitä tähtiä uudella tavalla. Röntgensäteiden polarisaatiota mittaavaa IXPE:tä käytettiin hiljattain julkaistussa tutkimuksessa ensimmäistä kertaa röntgenpulsarin polarisaation mittaamiseen, mikä mahdollisti sen perusgeometrian määrittämisen.
– Hercules X-1 oli ensimmäinen IXPE:n havaitsema röntgenpulsari, ja havaitsemamme erittäin alhainen polarisaatio tuli suurena yllätyksenä, jota emme vieläkään täysin ymmärrä, sanoo Tuebingenin yliopiston tutkija Victor Doroshenko, Nature Astronomy -lehdessä julkaistun tutkimuksen johtava kirjoittaja.
IXPE:llä erittäin suurella tarkkuudella mitattu noin 9 prosentin keskimääräinen polarisaatioaste osoittautui paljon pienemmäksi kuin joidenkin teoreetikkojen optimistisesti odottama 80 prosenttia.
– Näin suuri ero tarkoittaa, että olemassa olevia malleja säteilyn kulkeutumisesta voimakkaasti magnetoidussa plasmassa, joka on rajoitettu neutronitähden napoihin, ja ideoitamme Hercules X-1:n ja mahdollisesti muiden pulsareiden emissioalueen geometriasta ja rakenteesta on tarkistettava huomattavasti IXPE:n tulosten valossa, toteaa Turun yliopiston tähtitieteen professori Juri Poutanen, IXPE:n työryhmän johtaja.
Kun tutkijat tarkastelivat polarisaatiokulman vaihteluja pulsarin pyöriessä, heidän oli mahdollista mitata pyörimisakselin ja magneettimomentin välinen kulma. Kyseinen tieto on tärkeä tällaisten kohteiden emission mallintamisessa. Uusien röntgenpolarimetristen havaintojen ja vanhempien pohjoismaisella optisella teleskoopilla (NOT) saatujen optisten polarimetristen mittausten yhteismallinnus osoitti yksiselitteisesti, että pulsarin pyörimisakseli on kallellaan tähtijärjestelmän ratatason akseliin nähden. Tämä on vahva osoitus siitä, että neutronitähden pyörimisakselin suunta muuttuu kuin hyrrällä.
Neutronitähden vapaata pyörimisakselin suunnan muuttumista on jo aiemmin käytetty selittämään havaitut puolisäännölliset pulsarivuon ja pulssiprofiilin muodon vaihtelut noin 35 päivän ajanjaksolla. Tähän asti tästä hypoteesista on kuitenkin ollut vain epäsuoraa näyttöä. Tieto pyörimisakselin suunnan muuttumisesta auttaa myös ymmärtämään neutronitähtien sisäistä rakennetta. Lopullinen todiste asialle saadaan todennäköisesti myöhemmin, kun IXPE havaitsee Hercules X-1:n pyörimisakselin suunnan muuttumisen syklin toisessa vaiheessa.
– IXPE alkaa vasta tutkia universumia röntgenpolarimetrian avulla. Me jatkamme kaikenlaisten kohteiden havainnointia, joten pysykää kuulolla, lisää yllättävistä löydöistä on tulossa, Turun yliopiston yliopistotutkija ja yksi julkaisun johtavista kirjoittajista Sergey Tsygankov tiivistää.
IXPE laukaistiin Falcon 9 -raketilla Cape Canaveralilta joulukuussa 2021, ja se kiertää nyt 600 kilometriä maanpinnan yläpuolella. Satelliitti on NASA:n ja Italian avaruusjärjestön yhteistyö tiedeyhteistyökumppaneiden kanssa 13 maassa, mukaan lukien Suomi.
Taiteellinen näkemys pyörimisakselinsa suuntaa muuttavasta Hercules X-1 röntgenpulsarista lähellä tavallista tähteä.
Tutkimusartikkeli ”Determination of X-ray pulsar geometry with IXPE polarimetry” on julkaistu Nature Astronomy -lehdessä.
Turun yliopiston kirjoittajat ovat Juri Poutanen ja Sergey Tsygankov Tuorlan observatoriosta.
