Zdjęcie radiowe strumienia poprzedzającego w kształcie litery S wystrzelonego przez gwiazdę neutronową w Circinus X-1. Zarówno sam Cir X-1 (środek obrazu), jak i źródło tła zostały odjęte od obrazu, aby kształt litery S był wyraźniejszy. Dżety to szybkie, wąskie przepływy materiału na zewnątrz z Cir X-1. Rozmiar dżetów na tle nieba jest taki sam jak grosz widziany z odległości 100 metrów, ale ich rzeczywisty rozmiar przekracza pięć lat świetlnych. Źródło: Fraser Cowie
Astronomowie po raz pierwszy wykonali zdjęcie a gwiazda neutronowa emituje strumień w kształcie litery S przypominający zraszacz ogrodowy w układzie podwójnym Circinus X-1, oddalonym o ponad 30 000 lat świetlnych.
Zjawisko to, podobne do precesji obserwowanej w czarnych dziurach, ilustruje zmianę kierunku dżetu w wyniku przyciągania grawitacyjnego z dysku gorącego gazu. Odkrycia dokonano za pomocą radioteleskopu MeerKAT, a odkrycia dostarczają wglądu w dynamikę gwiazd neutronowych i mechanikę wystrzeliwania dżetów.
Po raz pierwszy sfotografowano dziwny dżet przypominający zraszacz ogrodowy, pochodzący z gwiazdy neutronowej.
Struktura w kształcie litery S powstaje, gdy dżet zmienia kierunek w wyniku drgań dysku gorącego gazu wokół gwiazdy – jest to proces zwany precesją, który obserwowano w przypadku czarnych dziur, ale jak dotąd nigdy w przypadku gwiazd neutronowych.
Animacja ruchomych amortyzatorów końcowych z Circinus-1. Są to obszary, w których dżet gwałtownie uderza w otaczającą materię, powodując falę uderzeniową przemieszczającą się ze znacznym ułamkiem prędkości światła. Źródło: Fraser Cowie
Zjawiska kosmiczne w Circinus X-1
Ten konkretny obiekt znajduje się w układzie podwójnym Circinus X-1, ponad 30 000 lat świetlnych od Ziemi i powstał z jądra masywnego nadolbrzyma, który zapadł się mniej więcej w tym samym czasie, gdy budowano Stonehenge.
Jest tak gęsty, że łyżeczka jego materiału waży tyle, co Mount Everest.
Układy podwójne składają się z dwóch gwiazd połączonych ze sobą grawitacją. W przypadku Circinus X-1 jedną z nich jest gwiazda neutronowa.
Zarówno gwiazdy neutronowe, jak i czarne dziury to kosmologiczne potwory, które powstają, gdy największe gwiazdy we Wszechświecie umierają i zapadają się pod wpływem własnej grawitacji.
Te ostatnie są jednak znacznie masywniejsze i można je wykryć jedynie dzięki efektom grawitacyjnym, podczas gdy te pierwsze można obserwować bezpośrednio pomimo ich gęstości.
Są to jedne z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie, a ich wnętrza są prawie w całości zbudowane z neutronów.
Zdjęcie radiowe z teleskopu MeerKAT przedstawiające Circinus X-1 w środku, w sferycznej pozostałości po supernowej, w której się narodził. Fale uderzeniowe wywołane przez dżety są widoczne powyżej i poniżej Cir X-1, a strukturę w kształcie litery S na dżety są nieco przesłonięte przez jasne źródło w tle. Źródło: Fraser Cowie
Obserwacje za pomocą MeerKAT
Zespół astronomów zauważył dżet wydobywający się z gwiazdy neutronowej Uniwersytet Oksfordzkiktóry wykorzystał MeerKAT — radioteleskop w Republice Południowej Afryki — do stworzenia najbardziej szczegółowych zdjęć Circinus X-1 w wysokiej rozdzielczości.
Zdjęcia, które zaprezentowano w tym tygodniu podczas Krajowego Spotkania Astronomicznego na Uniwersytecie w Hull, obejmują pierwsze w historii zdjęcie dżetu w kształcie litery S pochodzącego z potwierdzonej gwiazdy neutronowej – przełom, który może pomóc w rozwikłaniu ekstremalnej fizyki stojącej za zjawiskiem astronomicznym .
Główny badacz Fraser Cowie powiedział, że istnieje inny system znany ze swoich dżetów w kształcie litery S, nazwany SS433, ale ostatnie wyniki sugerują, że obiekt jest prawdopodobnie czarna dziura.
„To zdjęcie po raz pierwszy widzimy mocne dowody na istnienie poprzedzającego dżetu pochodzącego z potwierdzonej gwiazdy neutronowej” – powiedział.
„Dowody te pochodzą zarówno z symetrycznego kształtu litery S, jak i emisji radiowej osocze w strumieniach oraz przed szybką i szeroką falą uderzeniową, która może zostać wytworzona jedynie przez zmianę kierunku strumienia.
„Dostarczy to cennych informacji na temat ekstremalnej fizyki stojącej za wystrzeleniem strumienia, zjawiska, które wciąż nie jest dobrze poznane”.
Akrecja i dynamika strumieni
Ogromna gęstość gwiazdy neutronowej wytwarza silną siłę grawitacji, która usuwa gaz z gwiazdy towarzyszącej, tworząc wokół niej dysk gorącego gazu, który spiralnie opada w kierunku jej powierzchni.
Proces ten, zwany akrecją, uwalnia ogromne ilości energii na sekundę o mocy większej niż milion Słońc. Część tej energii zasila strumienie – wąskie wiązki materii wypływającej z układu podwójnego, poruszające się z prędkością bliską prędkości światła.
Niedawne ulepszenia teleskopu MeerKAT zaowocowały doskonałą czułością i zdjęciami o wyższej rozdzielczości. Dzięki nim zespół dostrzegł wyraźne dowody na strukturę w kształcie litery S, podobną kształtem do rozpylonej wody ze zraszacza ogrodowego, w strumieniu Circinus X-1.
Co więcej, badacze odkryli także ruchome wstrząsy końcowe – pierwszy zarejestrowany z układu podwójnego rentgenowskiego. Są to obszary, w których strumień gwałtownie uderza w otaczającą materię, powodując falę uderzeniową.
Zespół Cowiego zmierzył fale poruszające się z około 10 procentami prędkości światła, potwierdzając, że zostały spowodowane przez szybko poruszający się dżet, a nie coś wolniejszego, np. wiatr materii z gwiazd.
„Fakt, że te fale uderzeniowe rozciągają się pod szerokim kątem, jest zgodny z naszym modelem” – powiedział Cowie. „Mamy więc dwa mocne dowody mówiące nam, że dżet gwiazdy neutronowej ulega precesji”.
Pomiar prędkości fal uderzeniowych pomoże także astronomom zrozumieć, z czego zbudowany jest dżet, który je wywołuje.
Fale uderzeniowe skutecznie działają jak akceleratory cząstek w przestrzeni, wytwarzając wysokoenergetyczne promienie kosmiczne, a maksymalna energia cząstek, którą można przyspieszyć, zależy od ich prędkości.
Przyszłe kierunki badań
„Circinus X-1 to jeden z najjaśniejszych obiektów na rentgenowskim niebie, badany od ponad pół wieku” – powiedział Cowie. „Mimo to pozostaje jednym z najbardziej zagadkowych systemów, jakie znamy.
„Kilka aspektów jego zachowania nie zostało dobrze wyjaśnionych, dlatego pomoc w rzuceniu nowego światła na ten system w oparciu o 50 lat pracy innych jest bardzo satysfakcjonująca”.
Dodał: „Następnymi krokami będzie dalsze monitorowanie odrzutowców i sprawdzanie, czy zmieniają się one w czasie w sposób, jakiego oczekujemy.
„Pozwoli nam to na dokładniejsze mierzenie ich właściwości i dalsze dowiadywanie się więcej o tym zagadkowym obiekcie”.
Badania przeprowadzono w ramach projektów X-KAT i ThunderKAT na teleskopie MeerKAT obsługiwanym przez Południowoafrykańskie Obserwatorium Radioastronomiczne (SARAO). Obserwacje przeprowadzono przy użyciu niedawno zainstalowanych odbiorników pasma S dostarczonych przez Instytut Maxa-Plancka (MPG).
