Satelliitein tehtävät röntgenhavainnot avaruuden kohteista rakentavat kokonaiskuvaa maailmankaikkeudestamme ja sen perustavanlaatuisista voimista. Väittelijä tarkasteli tutkimuksessaan useita eri neutronitähtiä ja havaitsi, että kahdella niistä neutronitähden magneettikentän rakenne on luultua monimutkaisempi. Lisäksi väittelijä havaitsi ensimmäistä kertaa neutronitähdellä poikkeuksellisen pyörimissuunnan.
Neutronitähdet ovat äärimmäisen tiiviitä kohteita ja niiden magneettikentät ovat voimakkaimpia maailmankaikkeudessa. Niiden koostumusta ei vielä täysin tiedetä.
Voimme tehdä satelliittihavaintoja neutronitähdistä, kun ainetta putoaa niiden pinnalle ja niistä hehkuu samalla röntgensäteilyä. Monet tällaisista kohteista tunnetaan pulsareina, joiden pyöriessä niiden Maapallolta käsin havaittu kirkkaus vaihtelee säännöllisesti kuin kosmisella majakalla.
Oletettua monimutkaisempi rakenne päästää aineen syvälle tähden magneettikenttään
Uudet tulokset paljastavat, että neutronitähtien magneettikenttien rakenne voi olla monimutkaisempi kuin usein oletetaan. Useimmiten neutronitähtien magneettikenttien on oletettu olevan yksinkertaisinta muotoa eli sauvamagneettimainen dipoli, jonka kentän muoto muistuttaa donitsia.
Kahdessa havaitussa kohteessa, jotka tunnetaan nimillä GRO J1744-28 ja Her X-1, neutronitähtien pinnalle putoava aine pääsee syvemmälle magneettikenttään kuin mitä aiemmin luultiin.
– Todennäköinen ratkaisu ristiriitaan nyt saatujen tulosten ja muiden havaintojen välillä olisi esimerkiksi se, että näitä kahta neutronitähteä ympäröivän magneettikentän muoto olisikin dipolin sijaan monimutkaisempi, esimerkiksi kvadrupoli, eli kuin kaksi donitsia päällekkäin, väitöskirjatutkija Juhani Mönkkönen kuvaa.
Väitöskirjan havainnot pohjaavat siihen, miten paljon pulsareilta tulevan röntgensäteilyn kirkkaus vaihtelee eri aikaskaaloilla säännöllisten ”majakan” pulssien lisäksi. Kirkkaudenvaihtelu johtuu siitä, että pulsarit ovat kaksoistähtijärjestelmässä, jossa aine virtaa neutronitähdelle sen tavanomaiselta tähtikumppanilta ja asettuu kiekoksi neutronitähden ympärille. Kiekossa aine ikään kuin paakkuuntuu ja tuottaa virtaukseen epätasaisuuksia, jotka saavat neutronitähden kirkkauden tuikkimaan. Neutronitähteä ympäröivä magneettikenttä aiheuttaa kiekon keskelle aukon, jonka koko riippuu magneettikentän voimakkuudesta.
Tutkimuksessa tehtyjen havaintojen mukaan sekä Her X-1:llä että GRO J1744-28:lla nopea kirkkaudenvaihtelu on huomattavasti yliedustettuna, mikä tutkijan mukaan kertoo siitä, että neutronitähteä ympäröivän ainekiekon keskellä oleva aukko on oletettua pienempi juuri monimutkaisen magneettikentän ansiosta.
Neutronitähdellä havaittiin täysin poikkeuksellinen pyörimissuunta
Tutkimuksessa määritettiin lisäksi GX 301-2 -nimisen röntgenpulsarin pyörimissuunta suhteessa kaksoistähtijärjestelmän kiertoliikkeeseen. GX 301-2 on ainutlaatuinen kohde, jossa neutronitähti läpäisee ainevirran aina kierroksellaan kumppanitähtensä ympäri.
Oman akselinsa ympäri pyörivä pulsari on kuin karuselli, jolle läpäistävä ainevirta ensin antaa nykäyksen vauhtia ja heti perään jarruttaa sitä. Havainnoissa tämä näkyy pulsarin tunnusomaisen taajuuden heilahduksena.
– Tästä vauhdin ja jarrutuksen järjestyksestä voidaan päätellä, mihin suuntaan neutronitähti pyörii. Huomattavaa kyllä, tässä tapauksessa pulsari pyöri kaksoistähtijärjestelmän kiertoliikkeen vastaisesti. Tällaista tulosta ei ole koskaan aiemmin saatu, Mönkkönen toteaa.
Tutkijan mukaan syynä poikkeukselliselle pyörimiselle voi olla neutronitähden synnyttäneen supernovan antama potku.
Nyt valmistunut tutkimus neutronitähdistä eli massiivisten tähtien jäänteistä laajentaa niiden tunnettua kirjoa ja valottaa etenkin sitä, miten aine ja voimakkaat magneettikentät vuorovaikuttavat.
***
MSc Juhani Mönkkönen esittää väitöskirjansa ”Properties of highly magnetized neutron stars from X-ray timing analysis on different time scales” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa keskiviikkona 26.10.2022 klo 12.00 (Turun yliopisto, Natura, luentosali X, Turku).
Väitöstilaisuutta voi seurata myös etäyhteydellä
Vastaväittäjänä toimii professori Gianluca Israel (National Institute for Astrophysics, Italia) ja kustoksena professori Juri Poutanen (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on tähtitiede.
Turun yliopisto seuraa aktiivisesti koronavirustilannetta ja viranomaisten ohjeita. Yliopisto päivittää ohjeitaan tilanteen mukaan. Ohjeet ja linkit löytyvät osoitteesta: utu.fi/koronavirus
Ylempi kuvituskuva: NASA/Goddard Space Flight Center/Dana Berry
