Akkretoiva valkoinen kääpiö ratkaisi radiomysteerin

Tähti jää kiinni varastamisesta. Ei kohtaus tieteisfiktiosta, vaan täsmällinen kuva, jota tähtitieteilijät nyt käyttävät kuvatakseen tiivistä valkoista kääpiötä, joka imee kaasua läheiseltä kumppaniltaan. Tämä varkaus on ilmeisesti lähde eräälle toistuvien radiosignaalien luokalle, jotka ovat hämmentäneet havainnoijia vuosien ajan.

Kun kuvio lopulta paljasti alkuperänsä

ASKAP J1745−5051 on vaatimaton merkintä luettelossa. Silti se käyttäytyy kuin kosminen metronomi, väläyttäen radiotaajuutta ja röntgensäteilyä tarkalla 1,4 tunnin syklillä. University of Sydneyn johtama kansainvälinen tutkijaryhmä käytti Australian Square Kilometre Array Pathfinderia, ASKAPia, selvittääkseen, mitä tapahtuu. Syyllinen on kataklysminen muuttuja, tiivis kaksoistähti, jossa valkoinen kääpiö vetää materiaalia punaiselta kääpiökumppanilta, kuumentaa virtausta ja tuottaa kohdennettuja säteilypurkauksia.

Akkretoivan valkoisen kääpiön havainnekuva.

Löydös julkaistiin Nature Astronomy -lehdessä ja tarjoaa tähän mennessä vahvimmat todisteet, jotka yhdistävät pitkän periodin radiotransientit akkretoiviin valkoisiin kääpiöihin. Aiemmin nämä hitaat, toistuvat radioilmiöt olivat harvinaisia havaintoja Linnunradalla ja niiden alkuperä herätti laajaa keskustelua. Oliko kyse outoista pulsareista vai jostain aivan muusta? ASKAP J1745−5051 antaa vastauksen ainakin osalle näistä tapahtumista.

Tiiviin, väkivaltaisen dueton sisällä

Valkoiset kääpiöt ovat äärimmäisen tiheitä. Kuvittele kappale, joka on suunnilleen Maan kokoinen mutta lähes Auringon massainen. Täällä painovoima määrää. ASKAP J1745−5051:ssä tuo gravitaatio repii kaasua pullistuneesta punaisesta kääpiöstä. Varastettu aine muodostaa virtauksen, joka syöksyy valkoista kääpiötä kohti ja kuumenee prosessissa voimakkaasti, tuottaen röntgensäteilyä.

Pelkkä kuumentuminen ei kuitenkaan selitä tarkkoja radiopulsseja. Tiimi katsoo, että magneettiset vuorovaikutukset ovat ratkaisevia. Kummallakin tähdellä on oma magneettikenttänsä, ja siellä missä kentät kohtaavat varautuneen ainevirtauksen, ne voivat vangita, kiihdyttää ja ohjata elektroneja. Lopputuloksena syntyy keilattu radioemissio, fokusoituna kapeisiin suuntiin ja nähtävissä toistuvina purkauksina, kun keila viuhuu Maan suuntaan. Oleellista on, että radio- ja röntgenhuiput eivät ajoitu samaan aikaan, mikä viittaa siihen, että säteilyt syntyvät järjestelmän eri alueilla.

CSIRO:n ASKAP-radioteleskooppi Wajarri Yamaji -alueella.

Kiertoaika, hieman yli tunnin pituinen, määrää rytmin. Jokainen kierto muuttaa akkretaatiovirran ja kenttälinjojen geometriaa, tuottaen havaitun tahdin. Tämä geometria tekee ASKAP J1745−5051:stä erinomaisen laboratoriopaikan tutkia, miten aine käyttäytyy voimakkaiden magneettikenttien ja vahvan painovoiman vaikutuksesta.

Miksi tämä on tärkeää transienttien astronomialle

Pitkän periodin radiotransientit ovat olleet arvoitus, koska niiden hidas periodisuus ei sopinut tavallisten pulsarien odotuksiin, jotka yleensä pyörivät paljon nopeammin. Uudet havainnot osoittavat, että ainakin osa näistä transienttien lähteistä ei ole neutronitähtiä lainkaan, vaan valkoisen kääpiön binaareja, joissa akkretaatio ajaa radioemissiota.

Professori Murphy, University of Sydney School of Physicsin johtaja ja ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discoveryn päätutkija, totesi, että samanlaisia järjestelmiä oli epäilty aiemmin, mutta tämä on ensimmäinen, jossa sekä tähtikomponentit että akkretaatioprosessi on selvästi havaittu. Järjestelmä on vasta toinen tunnettu pitkän periodin radiotransientti, joka tuottaa säännöllisesti röntgensäteilyä, ja ensimmäinen, jossa tutkijat ovat vahvistaneet toistuvan mekanismin.

Ensisijainen kirjoittaja Kovi Rose, tohtoriopiskelija University of Sydneyssä ja CSIROssa, tiivisti tuloksen yksinkertaisesti: "Ensimmäistä kertaa olemme paikantaneet näiden signaalien alkuperän ja varmistaneet sen olevan kataklysminen muuttuja eli akkretoiva valkoinen kääpiö." Tämä tunnistus antaa tähtitieteilijöille mallin, eräänlaisen Rosettan kiven, muiden harvinaisten radiotransienttien tulkintaan galaksissamme.

ASKAP: laaja kenttä, epätavalliset löydöt

ASKAPin kaltaisten kohteiden havaitseminen vaatii teleskoopin, joka voi skannata laajasti ja herkällä tavalla. ASKAP, jota CSIRO ylläpitää Länsi-Australiassa sijaitsevalla asemallaan, yhdistää laajakenttäkuvauksen hyvään kulmaresoluutioon, mikä tekee siitä ihanteellisen toistuvien signaalien havaitsemiseen. Laitteen suunnittelu antaa ryhmille mahdollisuuden löytää toistuvia signaaleja, yhdistää ne taivaalle ja tehdä jatkoseurantoja röntgen- ja optisilla observatorioilla.

ASKAP-radioteleskooppi Inyarrimanha Ilgari Bundarassa, CSIRO Murchison Radio-astronomy Observatorylla Wajarri Yamaji -alueella Länsi-Australiassa. Tekijä: Alex Cherney/CSIRO

ASKAPin ja koordinoitujen moniaaltoisten kampanjoiden avulla tähtitieteilijät voivat nyt esittää parempia kysymyksiä. Kuinka moni pitkän periodin radiatransientti on akkretoiva valkoinen kääpiö? Onko olemassa erilaisia alatyyppejä, ehkä magneettikentän voimakkuuden tai massansiirtonopeuden perusteella erotettavissa? Jokainen löytö auttaa määrittelemään populaatiota ja hienosäätämään malleja magneettisesti ohjatusta säteilystä.

Tulevat havainnot ja kokeet

Tiimi suunnittelee laajaa seurantaa radio-, optisilla ja röntgenalueilla. Pitkät aikasarjat paljastavat, muuttuuko säteilykuvio ajan myötä, onko akkretaatiovirta vakaa vai ajoittaista, ja miten magneettinen topologia muuttuu kiertojen mukaan. Nämä mittaukset myös parantavat järjestelmän parametrien, kuten valkoisen kääpiön massan, kierron inklinaation ja magneettikentän geometrian, arviointia.

Kokeellisia mahdollisuuksia on myös runsaasti. Korkeataajuisella optisella fotometrialla voidaan testata, muodostuuko akkretaatiovirrasta täydellinen kiekko vai suora vaikutusvirtaus. Herkkä röntgenspektroskopia tutkii lämpötiloja ja tiheyksiä akkretaation kuumepisteen läheisyydessä. Radion polarimetria voi paljastaa magneettiset prosessit mittaamalla kunkin purkauksen polarisaatio-ominaisuuksia.

Asiantuntijan näkemys

"Tämä on klassinen tapa, jolla luonto opettaa meitä vastaesimerkin kautta", sanoi tohtori Elena Martinez, kompakteja kaksoisjärjestelmiä tutkiva astrofysiikka. "Valkoisia kääpiöitä aliarvioidaan usein verrattuna neutronitähtiin, mutta tässä ne tuottavat järjestäytynyttä, pulssimaista radioemissiota, joka muistuttaa joidenkin pulsarien käyttäytymistä. Tutkimalla järjestelmiä kuten ASKAP J1745−5051 opimme, miten magneettikentät muovaavat akkretaatiovirtoja ja luovat olosuhteet koherentille radioemissiolle."

Yhteenveto

Valkoisen kääpiön löytäminen, joka sekä ahmii kumppaniaan että lähettää siitä merkkejä radiossa ja röntgenissä, on enemmän kuin siisti ratkaisu arvoitukseen. Se avaa uuden ikkunan kompakteihin kaksoisjärjestelmiin, magnetoitujen plasmojen fysiikkaan ja galaksimme transienttiradion lähteiden moninaisuuteen. ASKAP J1745−5051 tulee toimimaan vertailukohteena. Radio-, röntgen- ja optiset observatoriot voivat nyt etsiä terävämmin: jotkut mysteeriset, hitaat radiotransientit eivät ole yksinäisiä eksoottisia pulsareita, vaan tiiviitä, väkivaltaisia tähtiduettoja, jotka loistavat voimakkaasti.

"Jokainen löytö on yksi palanen laajempaa arvoitusta", Rose sanoi. "Olemme vasta alkamassa ymmärtää tätä uutta kosmisten tapahtumien luokkaa."

ASKAP J1745−5051:n tunnistus korostaa, kuinka koordinoidut kartoitukset ja kohdennetut jatkoseurannat voivat muuttaa outoja havaintoja täysimittaisiksi astrofysikaalisiksi kertomuksiksi. Odotettavissa on lisää paljastuksia, kun ASKAP ja muut havaintoasemat jatkavat taivaan skannausta.

ASKAP-radioteleskooppi Inyarrimanha Ilgari Bundarassa, CSIRO Murchison Radio-astronomy Observatory Wajarri Yamaji -alueella Länsi-Australiassa.