Neutronstjernes opførsel bryder med alle teorier
En rebelsk neutronstjerne har opført sig højst uventet og har tvunget forskere på DTU Space til at tænke helt uden for boksen for at finde en forklaring.
I forgrunden ses en overfladeeksplosion på en neutronstjerne, og i baggrunden ses nabostjernen, som neutronstjernen 'stjæler' stof fra. Stoffet falder som en kraftig regn på neutronstjernens overflade. (Foto: Hubble Site)

Satellitbillederne fra det danskbyggede røngten-kamera JEM-X, som er ombord på ESA-satellitten INTEGRAL var netop kommet tilbage. Astrofysiker Jerome Chenevez kunne ikke tro sine egne øjne: En ekstremt varm neutronstjerne, GX 0.2-0.2, havde haft to på hinanden følgende overfladeeksplosioner. Og ikke nok med det – det første var et mellemlangt ’burst’, og det næste var et ’superburst’.

I de 44 år man har observeret neutronstjerner, har man opfanget 30 mellemlange bursts og 20 superbursts i alt - aldrig er de to blevet observeret i forlængelse af hinanden før. Det brød med alle tidligere teorier om neutronstjerners opførsel.

»Det er to meget usædvanlige begivenheder, som er foregået lige efter hinanden. Lige nu har vi ikke nogen model, der kan forklare det – det er alt sammen spekulationer,« siger astrofysiker Jerome Chenevez fra DTU Space.

Neutronstjernerne har længe været kilde til forundring, fordi man stadig er meget usikker på de processer, der finder sted inde i dem. De opsigtsvækkende, nye observationer kan være med til at afsløre nogle af neutronstjernernes mange hemmeligheder.

Neutronstjerner er døde stjerners efterladenskaber

Fakta

Den lille neutronstjernes navn er GX 0.2-0.2, hvor cifrene angiver koordinaterne for positionen målt i grader fra Mælkevejens centrum. GX 0.2-0.2 befinder sig altså umåde tæt på Mælkevejens galaktiske centrum.

En neutronstjerne er det, der er tilbage, efter at en stjerne med en masse mere end otte gange større end Solens er død.

Sådan en stjerne danner tungere og tungere grundstoffer igennem sit liv, og til sidst består dens kerne kun af jern. Når det sker, stopper dens energiproduktion, og hvis stjernen er tung nok, resulterer det i en storslået supernovaeksplosion.

Alle grundstofferne inde i stjernen bliver spredt ved eksplosionen, bortset fra stjernens jernkerne, som består. Under supernovaeksplosionen opstår et såkaldt ’kollaps’, der presser jernkernen sammen til en ekstremt varm og lille stjerne, som har en meget stor koncentration af neutroner – deraf navnet, neutronstjerne.

Inde i centrum har alle stjerner en enorm tyngdekraft, som bliver svagere og svagere ud mod stjernens overflade. En neutronstjerne består reelt set kun af en afdød stjernes centrum, og derfor har den et ekstremt kraftigt tyngdekraftsfelt i hele dens masse.

Neutronstjerner stjæler stof fra andre stjerner

Stoffet fra nabostjernen falder ikke direkte ind på neutronstjernen. Det bliver i første omgang fanget af en 'opsamlingsskive', som ligger rundt om neutronstjernen. (Foto: Hubble Site)

Hvis en neutronstjerne ligger i umiddelbar nærhed af en almindelig stjerne, som GX 0.2-0.2, vil dens tyngdekraftfelt derfor være stærkt nok til at ’stjæle’ hydrogen og helium fra den anden stjernes overflade. For hver tre heliumpartikler skabes der en reaktion, som udvikler kulstof, og den reaktion giver små ’bursts’ af cirka 10 sekunders varighed. Hver burst svarer omtrent til en meters helium-lag.

Disse bursts er kraftige termonukleare eksplosioner (kerne-eksplosioner baseret på fusion), der finder sted på neutronstjernens overflade. Eksplosionen får neutronstjernen til at gløde kraftigt i røngten-stråling. Til dato kender man færre end 100 neutronstjerner, der mindst én gang har udgivet et såkaldt ’termonukleart burst’.

GX 0.2-0.2, som befinder sig cirka 30.000 lysår fra Jorden, har tidligere givet flere små bursts, men aldrig nogen, der varede mere end et par minutter. I observationen af de to på hinanden følgende bursts varede det første burst en halv time, og det andet varede hele fire timer.

Ekstremt sjælden observation

Når neutronstjerner en sjælden gang i mellem laver mellemlange bursts, formoder man, at det er fordi, der er blevet dannet en hundrede meter tyk kugleskal af helium på overfladen – og neutronstjernen ikke har været tilstrækkelig varm til, at heliummet er eksploderet med det samme.

Fakta

En typisk neutronstjerne har en radius på 1/50.000 - 1/70.000 af Solens radius. Det svarer til 10-15 kilometer. Neutronstjerner har en ekstremt stor massefylde, da de indeholder masser svarende til 1-2 gange Solens, men pakket sammen på 50-70.000 gange mindre plads.

Når helium ligger tilstrækkelig tæt over hele stjernen, kan det resultere i et burst på op til en halv time, som følge af den tid det tager at afkøle den tykke lag af nydannede kulstof og andre grundstoffer. Et mellemlangt burst er i sig selv et meget sjældent syn og er kun blevet observeret 30 gange før – hvoraf kun halvdelen er nået op på en halv time. Til sammenligning er der blevet observeret flere tusinder af de korte bursts.

Et superburst er dog en endnu mere sjælden begivenhed med i alt 20 observationer.

Ved et superburst har kulstoffet fået lov til at ligge i en kugleskal på op til flere hundrede meters tykkelse under neutronstjernens overflade. Når det endelig udmunder i et såkaldt superburst, kan eksplosionen vare op til flere timer – en ekstrem længde i forhold til de små bursts, som stjernen har mere eller mindre regelmæssigt.

Superbursts og mellemlange bursts er under normale omstændigheder begge knyttede til et tykt lag kulstof. Derfor er det svært for forskerne at forklare, hvordan neutronstjernen først kan have haft et mellemlangt burst og umiddelbart derefter et langt superburst.

Glem alt, hvad der står i bøgerne

Fakta

Stjernestoffet fra nabostjernen falder næsten lige så hurtigt som lyset som en kraftig regn på overfladen. Stoffet består hovedsageligt af brint (H) og helium (He). På grund af varmen og tætheden fusioner brint til helium i en stabil reaktion, altså uden eksplosion.

Helium lægger sig som et lag på overfladen af neutronstjernen. Når heliumlaget bliver cirka en meter tykt, eksploderer det som et kort glimt.

På grund af en højere vægt lægger det nydannede kulstof (C) sig i et lag på overfladen, som langsomt sænker sig ned under overfladen og bliver til en del af neutronstjernen. Kulstoflaget skal være mindst 100 meter tykt, før det kan eksplodere i et superburst.

Laget af kulstof er således produktet af mange (mere eller mindre) korte helium-bursts.

For at forklare GX’s sære opførsel har forskerne måttet glemme alt, hvad der står i tekstbøgerne, fortæller Jerome Chenevez:

»Der kan ikke findes nogen forklaring på det her i bøgerne, så vi har været nødt til at tænke helt uden for boksen. Vi kan ikke være helt sikre på nogen af forklaringerne, før vi observerer dette fænomen igen hos en anden neutronstjerne,« siger han.

Og fænomenet vil blive observeret igen før eller siden, mener Jerome Chenevez. Hvis det er sket én gang, vil det ske igen – det er blot et spørgsmål om, hvornår det bliver opfanget af satellitterne.

»Længden på vores observationer er meget begrænsede, og derfor kan det jo sagtens være, at vi tidligere har set halvdelen af dette fænomen før, men ikke slutningen på det – og derfor ikke har været klar over, at der var tale om mere end ét burst.«

INTEGRAL fik for eksempel ikke slutningen på dette superburst med – eftersom de to bursts sammenlagt varede fire en halv time, og satellitten kun måler tre en halv time på ét sted.

Man måtte derfor stykke dens målinger sammen med observationerne fra et japansk kamera på rumstationen ISS for at finde ud af, præcis hvor lang tid det havde varet.

Den forklaring, man på DTU Space hælder mest til lige nu, er, at det første burst ikke har været heliumbaseret, men derimod mest baseret på hydrogen, og at det næste burst så til gengæld stammede fra et tykt lag kulstof. Lige nu er intet dog sikkert, slutter Jerome Chenevez. Den videnskabelige artikel om neutronstjernens særegne opførsel er stadig under udarbejdelse.

Stor begrænsning på observationer

Den rebelske neutronstjerne befinder sig i et område, som kun kan observeres to gange årligt af INTEGRAL. Det skyldes, at området er placeret meget tæt på Mælkevejens galaktiske midte.

Set fra Jorden skygger Solen for området i løbet af vinteren, og den står forkert i forhold til satellittens sol-censorer i løbet af sommeren. Kun to gange om året står Solen rigtigt – i slutningen af vinterhalvåret til begyndelsen af foråret og i slutningen af sommeren til begyndelsen af efteråret – og i de perioder kan satellitten kun lave målinger ad tre en halv times varighed af gangen, medmindre det er planlagt lang tid i forvejen, at den skal lave længere observationer. Man kan altså ikke pludselig beslutte sig for at forlænge en observation, hvis der sker noget ekstraordinært, som der gjorde for GX 0.2-0.2.

Da dette års første måling netop var skudt i gang den 13. februar, kunne Jerome og hans kollegaer konstatere, at en række af neutronstjernerne var blevet aktive, siden DTU Space sidst havde kunnet observere området. Det betyder, at stjernerne afgav tilstrækkelig varme til at kunne ses på satellitbilleder, som målte det termiske udslag.

Især én neutronstjerne, GX 0.2-0.2, viste et højt aktivitetsniveau, og det var altså den, der ved nærmere eftersyn havde udvist en meget sær opførsel.

Når vi observerer bursts fra neutronstjerner, kan det fortælle os:

  • At det virkelig er en neutronstjerne, vi ser, og ikke et sort hul. Sorte huller har ikke en overflade og kan derfor ikke samle ’lag’ af helium, på samme måde som neutronstjerner kan.
     
  • At neutronstjernen er forholdsvis gammel, så dens magnetfelt er blevet svækket. Det er det, der gør, at stoffet fra nabostjernen kan sprede sig jævnt over hele neutronstjernens overflade.
     
  • Hvis neutronstjernen er gammel nok, så er dens nabostjerne det også, og det kan fortælle os, at nabostjernen ikke er tungere end Solen. Der findes andre systemer, hvor nabostjernen er meget tungere end neutronstjernen, så de kan ikke være særlig gamle.
     
  • Nogle bursts er så kraftige, at de gør det muligt at beregne afstanden mellem neutronstjernen og Jorden. Derudover kan man også beregne temperaturen, størrelsen og massen af neutronstjernen ud fra dens bursts.
     
  • Forskning i neutronstjerners bursts hjælper med at forestå de termonukleare processer og dannelsen af nogle af grundstofferne i universet.