(English follows Dutch)

Een internationaal team van astronomen heeft het volledige proces waargenomen van materiaal dat invalt op een neutronenster en daarmee een röntgenuitbarsting in gang zet. Dit duurde langer dan waargenomen bij zes andere soortgelijke objecten: twaalf dagen versus maximaal negen dagen.

Het team, met onderzoekers vanuit dertien instituten in acht landen, waaronder SRON, heeft op precies het juiste moment een neutronenster geobserveerd om te zien hoe hij materie uit zijn accretieschijf invangt, met een uitbarsting van elektromagnetische straling tot gevolg die duizenden malen sterker is dan de lichtkracht van onze Zon. Neutronensterren—of zwarte gaten—die samen met een andere ster in een dubbelsysteem zitten, snoepen continu materiaal weg bij hun begeleider en vormen zo een accretieschijf. Na verloop van tijd wordt die schijf zo dicht dat wrijving ervoor zorgt dat hij opwarmt en materiaal op de neutronenster invalt. Dit proces heet accretie. Het moment waarop de accretie plaats zal vinden is lastig te voorspellen, waardoor astronomen het verschijnsel pas zesmaal eerder hebben waargenomen. Het mechanisme achter het accretieproces is daarom nog niet goed begrepen.

Astronomen zien aan het zichtbare licht van de opwarmende schijf dat het proces in gang wordt gezet. Een pulserend röntgensignaal is het teken dat het materiaal de neutronenster heeft bereikt. Neutronensterren draaien doorgaans honderden keren per seconde om hun as, wat hun straling een karakteristieke pulserende signatuur geeft. De astronomen zagen bij de zogeheten neutronenster SAX J1808.4−3658 pas twaalf dagen na het eerste zichtbare licht een pulserend signaal van röntgenstraling. Dat leidt tot de verrassende conclusie dat de aanloop van de accretie maar liefst twaalf dagen duurt. Dit is langer dan eerdere waarnemingen aan andere neutronensterren of zwarte gaten. Daar duurde het proces maximaal negen dagen.

‘Deze waarnemingen stellen ons in staat om de structuur van de accretieschijf te bestuderen en te bepalen hoe snel en gemakkelijk materiaal naar binnen kan bewegen richting de neutronenster’, zegt hoofdonderzoeker Adelle Goodwin van de Monash School of Physics and Astronomy. ‘Met behulp van meerdere telescopen die gevoelig zijn voor licht van verschillende golflengten konden we achterhalen dat het twaalf dagen duurde voordat het materiaal bij de neutronenster terechtkwam en er röntgenstraling werd geproduceerd.’

Accretieschijven zijn meestal gemaakt van waterstof, maar SAX J1808.4-3658 heeft een schijf die voor 50% uit helium bestaat, meer dan de meeste schijven. De astronomen denken dat dit overtollige helium de opwarming van de schijf kan vertragen omdat heliumkernen pas bij een hogere temperatuur fuseren, waardoor het accretieproces twaalf dagen duurt.

‘SAX J1808.4-3658 was de eerste nieuwe röntgenster die we in de jaren negentig ontdekten met de door SRON gebouwde BeppoSAX Wide Field Camera’s’, zegt Jean in ‘t Zand van SRON, die samen met zijn collega Jeroen Homan meeschreef aan de paper. ‘Het geeft veel voldoening om te zien dat het een belangrijk kosmisch laboratorium is geworden voor nieuwe neutronensterverschijnselen. Het opstarten van accretie door de neutronenster past in dat rijtje.’

Publicatie

A. J. Goodwin, D. M. Russell, D. K. Galloway, M. C. Baglio, A. S. Parikh, D. A. H. Buckley, J. Homan, D. M. Bramich, J. J. M. in ‘t Zand, C. O. Heinke, E. J. Kotze, D. de Martino, A. Papitto, F. Lewis, R. Wijnands, ‘A 12 day delay between optical and X-ray activity during outburst rise in a low-mass X-ray binary‘, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Neutron star has unusually slow accretion process

An international collaboration of astronomers has observed the full 12-day process of material spiraling into a neutron star, triggering an X-ray outburst thousands of times brighter than our Sun.

The team, with researchers from thirteen institutes across eight countries, including SRON, has observed a neutron star at just the right time to witness it capturing matter from its accretion disk, resulting in a burst of electromagnetic radiation thousands of times stronger than the luminosity of our Sun. Neutron stars—or black holes—in a binary system with another star continuously steal material from their companion to form an accretion disk. Over time, that disk becomes so dense that friction heats it up and material starts spiraling towards the neutron star. This process is called accretion. The moment when accretion will take place is difficult to predict, which is why astronomers have only observed the phenomenon six times before. The mechanism behind the accretion process is therefore still ill-understood.

Astronomers can tell from the visible light radiated by the heated disk that the process is being initiated. A pulsating X-ray signal reveals that the material has reached the neutron star. Neutron stars usually rotate hundreds of times per second around their axis, giving their radiation a characteristic pulsating signature. In this case, involving a neutron star called SAX J1808.4−3658, the astronomers saw a pulsating X-ray signal as much as twelve days after the first visible light rays. This leads to the surprising conclusion that the buildup towards accretion lasts no less than twelve days. This is longer than with previously observed other neutron stars or black holes. The longest duration in those cases was nine days.

‘These observations allow us to study the structure of the accretion disk and determine how quickly and easily material can move inwards to the neutron star,’ says lead researcher Adelle Goodwin from the Monash School of Physics and Astronomy. ‘Using multiple telescopes that are sensitive to light in different energies we were able to trace that it took twelve days for the material to spiral inward towards the neutron star and X-rays to be produced.’

Accretion disks are usually made of hydrogen, but SAX J1808.4-3658 has a disk that is made up of 50% helium, more than most disks. The scientists think that this excess helium may be slowing down the heating of the disk because helium nuclei fuse at a higher temperature, causing the accretion process to take twelve days.

‘SAX J1808.4-3658 was the first new Galactic X-ray star that we detected back in the 1990s with the SRON-built BeppoSAX Wide Field Camera,’ says co-author Jean in ‘t Zand from SRON. ‘It has been very gratifying to see it become a pivotal cosmic laboratory for new neutron star phenomena. Starting up accretion by this neutron star is one of those phenomena.’

Publication

A. J. Goodwin, D. M. Russell, D. K. Galloway, M. C. Baglio, A. S. Parikh, D. A. H. Buckley, J. Homan, D. M. Bramich, J. J. M. in ‘t Zand, C. O. Heinke, E. J. Kotze, D. de Martino, A. Papitto, F. Lewis, R. Wijnands, ‘A 12 day delay between optical and X-ray activity during outburst rise in a low-mass X-ray binary‘, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society