Включая бывшего аспиранта Хироки Йонеду, старшего научного сотрудника Кадзуо Макишима и главного исследователя Тадаюки Такахаши из Kavli IMPU, команда также предполагает, что процесс ускорения частиц, который, как известно, происходит в LS 5039, вызван взаимодействием между плотными звездными ветрами его первичной массивной звезды. , и сверхсильные магнитные поля вращающегося магнитара.
Гамма-двойные системы – это система массивных и компактных звезд. Они были открыты совсем недавно, в 2004 году, когда стали возможны наблюдения гамма-лучей очень высоких энергий в тераэлектронвольтном (ТэВ) диапазоне из достаточно больших областей неба.
Если смотреть в видимом свете, гамма-двойные системы выглядят как яркие голубовато-белые звезды и неотличимы от любой другой двойной системы, в которой находится массивная звезда.
Однако при наблюдении с помощью рентгеновских и гамма-лучей их свойства резко отличаются от свойств других двойных систем. В этих энергетических диапазонах обычные двойные системы полностью невидимы, но гамма-двойные системы производят интенсивное нетепловое излучение, и их интенсивность увеличивается и уменьшается в зависимости от их орбитальных периодов от нескольких дней до нескольких лет.
Как только гамма-двойные системы стали новым астрофизическим классом, было быстро признано, что в них должен действовать чрезвычайно эффективный механизм ускорения.
В то время как ускорение ТэВ-частиц требует десятков лет в остатках сверхновых, которые являются известными космическими ускорителями, гамма-двойные системы увеличивают энергию электронов сверх 1 ТэВ всего за десятки секунд. Таким образом, гамма-двойные системы можно считать одними из самых эффективных ускорителей частиц во Вселенной.
Кроме того, известно, что некоторые гамма-двойные системы излучают сильные гамма-лучи с энергией в несколько мегаэлектронвольт (МэВ). Гамма-лучи в этом диапазоне в настоящее время трудно наблюдать; они были обнаружены только примерно с 30 небесных тел на всем небе.
Но тот факт, что такие двойные системы излучают сильное излучение даже в этом диапазоне энергий, значительно увеличивает загадочность, окружающую их, и указывает на чрезвычайно эффективный процесс ускорения частиц, происходящий внутри них.
На данный момент в Галактике обнаружено около 10 двойных гамма-двойных систем – по сравнению с более чем 300 известными существующими рентгеновскими двойными системами. Почему гамма-двойные системы так редки, неизвестно, и, действительно, какова истинная природа их ускоряющего механизма, оставалось загадкой – до сих пор.
Из предыдущих исследований уже было ясно, что гамма-двойная система обычно состоит из массивной первичной звезды, которая весит в 20-30 раз больше массы Солнца, и звезды-компаньона, которая должна быть компактной звездой, но это было неясно. , во многих случаях, независимо от того, является ли компактная звезда черной дырой или нейтронной звездой. Исследовательская группа начала свою попытку с выяснения того, что обычно так.
Одним из наиболее прямых доказательств присутствия нейтронной звезды является обнаружение периодических быстрых пульсаций, связанных с вращением нейтронной звезды.
Обнаружение такой пульсации в гамма-двойной системе почти несомненно отвергает сценарий черной дыры.
В этом проекте команда сосредоточилась на LS 5039, который был обнаружен в 2005 году и до сих пор сохраняет свою позицию самой яркой гамма-двойной двойной системы в рентгеновском и гамма-диапазоне. Действительно, эта гамма-двойная система считалась содержащей нейтронную звезду из-за ее стабильного рентгеновского и ТэВ-гамма-излучения.
Однако до сих пор попытки обнаружить такие импульсы предпринимались с помощью радиоволн и мягкого рентгеновского излучения, а поскольку на радиоволны и мягкое рентгеновское излучение влияет звездный ветер первичной звезды, обнаружение таких периодических импульсов не увенчалось успехом.
На этот раз команда впервые сосредоточилась на диапазоне жесткого рентгеновского излучения (> 10 кэВ) и данных наблюдений с LS 5039, собранных детектором жесткого рентгеновского излучения (HXD) на борту космических телескопов Suzaku (между 9 и 15 сентября 2007 г.) и NuSTAR (с 1 по 5 сентября 2016 г.) – действительно, шестидневный период наблюдений за Сузаку был самым продолжительным за всю историю с использованием жесткого рентгеновского излучения.
Оба наблюдения, разделенные интервалом в девять лет, предоставили свидетельство наличия нейтронной звезды в ядре LS 5039: периодический сигнал от Сузаку с периодом около 9 секунд. Вероятность того, что этот сигнал возникает из-за статистических колебаний, составляет всего 0.1 процент.
NuSTAR также показал очень похожий импульсный сигнал, хотя значимость импульса была ниже – данные NuSTAR, например, были лишь предварительными. Комбинируя эти результаты, мы также сделали вывод, что период вращения увеличивается на 0.001 с каждый год.
Основываясь на полученном периоде вращения и скорости его увеличения, команда исключила сценарии, основанные на вращении и аккреции, и обнаружила, что магнитная энергия нейтронной звезды является единственным источником энергии, который может приводить в действие LS 5039. Требуемое магнитное поле достигает 10 ^ {11} Тл, что на 3 порядка больше, чем у типичных нейтронных звезд.
Это значение встречается среди так называемых магнетаров, подкласса нейтронных звезд, которые имеют такое чрезвычайно сильное магнитное поле. Период импульса 9 секунд типичен для магнетаров, и это сильное магнитное поле предотвращает захват звездного ветра первичной звезды нейтронной звездой, что может объяснить, почему LS 5039 не проявляет свойств, подобных рентгеновским пульсарам (X -лучевые пульсары обычно встречаются в рентгеновских двойных системах, где звездный ветер улавливается его звездой-компаньоном).
Интересно, что все 30 обнаруженных к настоящему времени магнитаров были обнаружены как изолированные звезды, поэтому их существование в гамма-двойных системах не считалось основной идеей. Помимо этой новой гипотезы, команда предлагает источник, который питает нетепловое излучение внутри LS 5039 – они предполагают, что излучение вызвано взаимодействием между магнитными полями магнетара и плотными звездными ветрами.
Действительно, их расчеты показывают, что гамма-лучи с энергиями в несколько мегаэлектронвольт, что было неясно, могут сильно испускаться, если они производятся в области чрезвычайно сильного магнитного поля, близко к магнетару.
Эти результаты потенциально разрешают загадку относительно природы компактного объекта в LS 5039 и основного механизма, приводящего в действие бинарную систему.
Однако необходимы дальнейшие наблюдения и уточнение их исследований, чтобы пролить новый свет на их выводы.