En neutronstjärnas måltid orsakar kosmiska smällar

Bild 1 av 2
Disken runt det svarta hålet slukar materia från den närliggande stjärnan.
Illustration av hur disken med material runt neutronstjärnan lyser upp, medan materia från den närliggande stjärnan "äts upp" av neutronstjärnan. Bild: Gabriel Pérez Díaz (IAC).

Astronomer har hittat ljusstarka och våldsamma utbrott från en neutronstjärna som slukar materia från en närliggande stjärna – på ett sätt som hittills bara observerats hos svarta hål. System med en stjärna av samma massa som solen och en kompakt följeslagare som en neutronstjärna eller svart hål kallas röntgenbinärer, eftersom de sänder ut stora mängder röntgenstrålar när det kompakta föremålet drar till sig materia från stjärnan bredvid.

"Våra observationer kan avslöja detta mycket egendomliga beteende för första gången hos en neutronstjärna. Det är ett stort steg framåt att kunna fastställa att det finns en gemensam mekanism som kan förklara de extrema processerna i båda typerna av röntgenbinärer, säger Santiago del Palacio, astronom på Chalmers och en del av det internationella forskarteamet.

Många av stjärnorna i vår galax är dubbelstjärnor, där två himlakroppar kretsar runt ett gemensamt masscentrum. Forskare har varit särskilt fascinerade av dubbelsystem som består av en vanlig stjärna och ett mer extremt objekt – en neutronstjärna eller ett svart hål. I sådana system lyser ibland upp i röntgenstrålning när materia dras från den ”normala” stjärnan till sin följeslagare, en process som kallas ackretion. Det ger upphov till kraftfulla utbrott under vilka systemet blir upp till tusen gånger ljusare än vanligt, och en del av materialet kan slängs ut i rymden i form av vindar eller jetstrålar

Dessa ovanliga dubbelstjärnor kallas röntgenbinärer. En av dessa som har beteckningen Swift J1858.6-0814 upptäcktes 2018 under ett spektakulärt utbrott och har förbryllat astronomer sedan de tidigaste observationerna. Systemet blossade upp i ett utbrott som fick astronomer att häpna, och under ett år sändes ut ljus i alla våglängder från radiovågor till röntgenstrålar. Ursprunget till dessa kosmiska fyrverkerier var okänt, men forskarna drog slutsatsen att systemet måste innehålla ett svart hål. Det visade sig vara helt fel. År 2020 upptäckte forskarna tecken som bara kunde förklaras av kärnexplosioner på en fast yta, vilket svarta hål inte har. De kunde bekräfta att Swift J1858 istället innehåller en neutronstjärna.

En omfattande kampanj av observationer inleddes med flera teleskop, och då kom ännu en överraskning. Överföringen av materian från den ena stjärnan till den andra var instabil på ett sätt som forskarna kände igen. Swift J1858 visade upp samma opålitliga beteende som ett annat känt dubbelsystem, där en vanlig stjärna och ett svart hål snurrar runt varandra. Nu kunde forskarna använda det här systemet, GRS 1915+105, som en Rosetta-sten för att dechiffrera det komplexa beteendet hos neutronstjärnan i Swift J1858.

Genom att jämföra de två systemen kunde forskargruppen förstå fenomen som aldrig tidigare observerats hos en neutronstjärna. När materia faller mot det kompakta objektet i systemet – oavsett om det en neutronstjärna eller svart hål – så bildas en skiva av materia som blir instabil, och då lyser upp och slocknar omvartannat.

- Vår studie visar att en sådan "instabilitet" är en grundläggande fysisk process som är oberoende av det kompakta objektets natur. Vi presenterar ett nytt scenario gör det möjligt för oss att förklara vad som händer i närheten av dessa exotiska objekt - neutronstjärnor och svarta hål - när de samlar på sig materia i så hög takt, konstaterar Montserrat Armas Padilla, också forskare på IAC och medförfattare till artikeln.

Framgångsrikt samarbete

- Detta observationsgenombrott var möjligt tack vare koordinerade observationer från flera observatorier som arbetar vid olika våglängder (radio, infraröd, synligt, ultraviolett och röntgenstrålar). Jag tycker att detta är ett bra exempel på vikten av samarbete i modern astronomisk forskning, säger Santiago del Palacio.
- Ett annat resultat som förvånade mig i den här studien var upptäckten av otroligt snabba, ljusstarka utbrott av infraröd strålning – med tidsskalor på ungefär en sekund, fortsätter han.

Tack vare beräkningar kunde Santiago del Palacio ta reda på hur sådana extrema utbrott kunde uppstå, utan att samtidigt synas med radioteleskop. För det krävs starka magnetfält och att det ljusstarka området är mycket litet, menar han.

- Men jag tror att det fortfarande finns arbete att göra för att härleda en detaljerad fysisk modell för att förklara dessa fascinerande fenomen, avslutar Santiago.

För framtida forskning ger de nya upptäckterna nya ingredienser som kan hjälpa forskare varför svarta hål och neutronstjärnor slukar materia på samma instabila sätt. Nu vill forskarteamet studera även andra ljusstarka dubbelsystem för att ta reda på de allra glupskaste svarta hål och neutronstjärnor när de slukar materia som bäst.

Läs mer om upptäckten i den vetenskapliga artikeln i tidskriften Nature: A shared accretion instability for black holes and neutron stars