A neutroncsillagok nagy tömegű csillagok lenyűgöző maradványai, amelyek szupernóva-robbanáson mentek keresztül. Ezek a csillagmaradványok gyakran elképesztő sebességgel száguldanak az űrben, és ahol a gyors neutroncsillag beleütközik a csillagközi gázba, úgynevezett fejhullám keletkezik. Képzeljünk el egy olyan erőteljes kozmikus szelet, amely hasonló lökéshullámot kelt az űrben, mint egy motorcsónak a vízen! Ezek tanulmányozása segítséget nyújt a nem sugárzó lökéshullámok vizsgálatában, amelyek fontos szerepet játszanak a plazma felmelegítésében és a kozmikus sugárzás részecskéinek felgyorsításában. Egy nemrég megjelent tanulmány három neutroncsillag fejhullámát vizsgálja korábban nem látott részletességgel.

Amikor egy gyorsan mozgó test áthalad egy közegen, jelen esetben egy neutroncsillag a gázból és porból álló csillagközi téren, akkor fejhullám mintázatot hoz létre. A neutroncsillag szele és a csillagközi közeg kölcsönhatása során olyan lökéshullám jön létre, ami a vízben haladó motorcsónak orránál kialakuló fejhullámra emlékeztet.

Fejhullámok sűrű csillagközi felhőben haladó fiatal csillagok körül is kialakulhatnak. A Hubble-űrtávcső felvétele az LL Orionis fejhullámáról készült, ami az Orion-köd egyik rejtett kincse. (NASA, The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); C. R. O’Dell (Vanderbilt University))

A neutroncsillagok fejhulláma nem bocsát ki sok sugárzást: sem fényt, sem hőt. Egy bizonyos típusú emissziót, úgynevezett Hα, vagyis hidrogén-alfa sugárzást produkál csak, a csillagközi közegben lévő semleges hidrogénatomok gerjesztése útján. A csillagászok a Hα-emisszió megfigyelésével képesek vizsgálni a neutroncsillagok fejhullámát.

A tanulmány szerzői három ismert neutroncsillag, a J0742−2822, a J1741−2054 és a J2225+6535 (Gitár-köd) fejhullámát vizsgálták meg. Integrálismező spektroszkópiával, az égitest elhelyezkedését és spektrális jellemzőit egyaránt rögzítő technikával részletesen felmérték a fejhullámokat. A vizsgálatokat a hawaii Keck II teleszkóp Cosmic Web Imager (KCWI) műszerével végezték. A hagyományos spektroszkópiával ellentétben, ahol egyetlen régió emissziójának egydimenziós spektrumát kapjuk meg, az integrálismező spektroszkópia egy kétdimenziós terület spektrumát adja, így a csillagászok feltérképezhetik a lökéshullám részleteit. Tanulmányozhatják a formáját, a sebességeloszlását és a Hα-emisszió intenzitását, így pontosabb képet kaphatnak a fejhullámok viselkedéséről.

A KCWI adatai a három neutroncsillag fejhullámának morfológiájáról a különböző sebességszeleteknél. (Ocker & Cosens 2024)

A Hα-emisszió tanulmányozása kulcsfontosságú a fejhullám fizikájának vizsgálatához. A Hα-emissziónak két fő összetevője van: egy keskeny vonal, amely a környező gázt jelöli a csillagközi közegben, valamint egy széles vonal, amelyet maga a fejhullám okoz. A két vonal aránya döntő információt ad a fejhullám sebességéről és a benne zajló folyamatokról, így például az elektron-ion hőmérsékletről és a részecskék energiaeloszlásáról.

A kutatók felfedték, hogy a két vonal aránya alapján mindhárom neutroncsillag fejhulláma lassabb, mint 200 kilométer/másodperc. Ez jelentősen eltér a szupernóva-maradványoknál megfigyelt sebességektől, ahol a lökéshullám az 1000 kilométeres másodpercenkénti sebességet is meghaladja. Az eredmények arra utalnak, hogy a neutroncsillagok fejhullámai egy különálló, kis sebességű tartományba esnek, és a jelenlegi modellek, amelyeket nagyobb sebességre terveztek, nem teljesen írják le a lassabb lökéshullámok viselkedését. Ahhoz, hogy jobban megértsük az elektronok és ionok közötti hőmérsékleti arányokat, valamint azt, hogy a részecskék hogyan gyorsulnak fel ebben a rendszerben, új modellek kellenek.

A nem sugárzó, kis sebességű lökéshullámok megismerése a következők miatt fontos:

– A kozmikus sugárzás gyorsulása: úgy gondolják, hogy a nem sugárzó lökéshullámok nagy sebességre gyorsítják fel a részecskéket, hozzájárulva a kozmikus sugárzáshoz, amit az űrben száguldó, nagy energiájú töltött részecskék alkotnak. A lökéshullámok különböző sebességeken történő viselkedésének tanulmányozása segít megérteni a kozmikus sugárzás keletkezését, valamint azt, hogy milyen szerepet játszanak ebben a neutroncsillagok.

– Energiaátvitel a lökéshullámokban: a nem sugárzó lökéshullámok segíthetnek megértenünk, hogyan adódik át az energia a különböző típusú részecskék, például az elektronok és protonok között. A gyorsabb lökéshullámokban az elektronok és a protonok hőmérséklete jelentősen eltérhet, de a lassabb lökéshullámokban, mint amiket ebben a tanulmányban is vizsgáltak, a hőmérsékletek jobban közelítenek egymáshoz. Ennek az egyensúlynak a megértése betekintést enged a lökéshullámok fizikájába, valamint abba, hogy miként gyorsítják fel a részecskéket.

– Asztrofizikai modellezés: a nem sugárzó lökéshullámok modelljeinek többsége szupernóva-maradványok nagy sebességű lökéshullámain alapul. A kutatók szerint a modelleket ki kell egészíteni a lassabb lökéshullámokkal, amelyek másként működnek és új elméleti megközelítést igényelnek.

Ezek az eredmények új betekintést nyújtanak a neutroncsillagok fejhullámainak rejtélyes természetébe, főként az eddig feltáratlan, kis sebességű tartományban. A lassú lökéshullámok vizsgálatával megismerhetjük a plazma felmelegedésének körülményeit, és azt, hogy miként gyorsulnak fel a részecskék a kozmikus sugárzás sebességére. A tanulmányban a kutatók megkérdőjelezik a nem sugárzó lökéshullámokról alkotott korábbi modelleket, hangsúlyozva, hogy a lassabb változatuk egyedi viselkedésére új elméletet kell alkotni. Így az asztrofizika új területei felé nyílik meg az út, ami talán még áttöréseket is tartogathat a számunkra.

Az eredményeket közlő tanulmány a The Astrophysical Journal Letters című szaklapban jelent meg.

Forrás: AAS Nova