Discovery of Three Glitches in the previously quiet pulsar PSR J1637$-$4642

Diep in de kosmos, draaiend als kosmische vuurtorens, bevinden zich neutronensterren. Dit zijn de ingestorte kernen van massieve sterren die geëxplodeerd zijn, waardoor objecten zijn achtergebleven die zo dicht zijn dat een enkele theelepel van hun materiaal miljarden tonnen op aarde zou wegen. Terwijl ze draaien, zenden ze bundels straling uit die met de precisie van een klok over de hemel vegen. Decennialang hebben astronomen deze hemelse tijdmeters gebruikt om de wetten van de fysica te testen, maar de meest fascinerende zijn de jonge, energieke sterren die soms grillig gedrag vertonen. Af en toe versnelt een neutronenster plotseling haar rotatie in een kleine, scherpe schok die bekend staat als een glitch. Dit fenomeen is geen defect, maar een aanwijzing naar het verborgen binnenste van de ster. Wetenschappers geloven dat er binnen deze sterren een superfluïde bestaat — een substantie die zonder enige wrijving stroomt — naast de vaste korst. Wanneer de vaste korst van nature in de loop van de tijd vertraagt, blijft de wrijvingsloze superfluïde binnenin op haar oorspronkelijke snelheid draaien. Uiteindelijk raken de twee uit de pas, en de superfluïde draagt plotseling een deel van haar snelheid over aan de korst, waardoor de ster sneller gaat draaien. Door deze glitches te bestuderen, kunnen onderzoekers in een ster kijken die ze nooit kunnen aanraken, en leren over de vreemde staat van materie die alleen onder zulke extreme druk bestaat.

Voor vele jaren werd één specifieke neutronenster, bekend als PSR J1637–4642, als ongewoon rustig beschouwd. Ontdekt in een survey met behulp van de Parkes-radiotelescoop in Australië, was deze jonge ster meer dan een decennium lang regelmatig gemonitord zonder tekenen van deze plotselinge versnellingen te vertonen. Het maakte deel uit van een groep pulsars die ogenschijnlijk gelijkmatig afremden, zonder dramatische gebeurtenissen om te bestuderen. Echter, een nieuwe analyse van gegevens verzameld tussen 2009 en 2024 heeft dit kalme beeld omvergeworpen. Onderzoekers hebben nu ontdekt dat deze "stille" ster tijdens die periode feitelijk drie duidelijke glitches heeft ervaren. De eerste en krachtigste gebeurtenis vond plaats rond het begin van 2019, waarbij de rotatiefrequentie van de ster een minuscule maar meetbare sprong maakte. Twee kleinere, subtielere sprongen volgden, één in 2022 en een andere in 2024. Het feit dat deze gebeurtenissen werden gevonden in een ster die voorheen als inactief werd beschouwd, suggereert dat zelfs de meest vredige neutronensternen aanzienlijke interne activiteit kunnen herbergen, wachtend op het juiste moment om opgebouwde spanning vrij te geven.

Het team achter deze ontdekking, gevestigd aan de Xiamen University in China, heeft jarenlang de gegevens van de Parkestelescoop verfijnd, die nu Murriyang wordt genoemd. Ze moesten jaren aan observaties zorgvuldig doorzoeken, waarbij rekening werd gehouden met veranderingen in de apparatuur van de telescoop en interferentie van de eigen radiosignalen van de aarde werd weggefilterd. Hun werk onthulde dat de eerste glitch een grote gebeurtenis was, die een plotselinge toename van de draaisnelheid veroorzaakte die ongeveer een miljoen keer groter was dan de andere twee. Na deze grote sprong keerde de rotatie van de ster niet onmiddellijk terug naar haar oude tempo. In plaats daarvan vertoonde zij een langzaam, exponentieel herstel over een periode van ongeveer 100 dagen, waarbij zij geleidelijk terugging naar een nieuw, iets sneller ritme. De twee kleinere glitches waren daarentegen zo subtiel dat de rotatie van de ster schijnbaar naar haar nieuwe snelheid sprong en daar direct bleef, zonder detecteerbare vertraging daarna. Dit verschil in gedrag bood de wetenschappers een unieke kans om te modelleren wat er in de ster gebeurde.

Door een fysisch model toe te passen dat beschrijft hoe een superfluïde door het binnenste van de ster beweegt, waren de onderzoekers in staat om de omvang van de betrokken superfluïde regio te schatten. Hun berekeningen suggereren dat het deel van het binnenste van de ster dat deelnam aan de versnelling ongeveer 1,9 procent van de totale massa van de ster beslaat. Dit fractie komt perfect overeen met theoretische voorspellingen voor een laag van superfluïde neutronen die zich net onder de vaste korst van de ster bevindt. Het model gaf ook aan dat de interne temperatuur van de ster waarschijnlijk rond de honderd miljoen graden ligt, een waarde die consistent is met hoe oud de ster is en hoe zij in de loop van de tijd is afgekoeld. Het feit dat de ster een permanente toename vertoonde in de snelheid waarmee zij afremde na de glitch, ondersteunt verder het idee dat de superfluïde en de korst permanent op een nieuwe manier met elkaar verbonden zijn geraakt.

Deze ontdekking daagt het eenvoudige idee uit dat neutronensterren spanning op een voorspelbare, gestage manier opbouwen voordat ze een glitch vertonen. Als dat waar zou zijn, zou men verwachten dat glitches met regelmatige intervallen of met vergelijkbare grootte plaatsvinden. In plaats daarvan wachtte PSR J1637–4642 bijna tien jaar in stilte, om vervolgens drie gebeurtenissen van zeer verschillende magnituden in korte opeenvolging vrij te geven. De grootste gebeurtenis was duizend keer groter dan de kleinste, en ze vonden plaats op onregelmatige tijden. Dit suggereert dat het proces dat deze glitches triggert complex en misschien enigszins willekeurig is, afhankelijk van de ingewikkelde en chaotische interacties diep in de kern van de ster. Hoewel de onderzoekers nog niet kunnen voorspellen wanneer de volgende glitch zal plaatsvinden, bewijst hun werk dat zelfs sterren die aan de oppervlakte kalm lijken, dynamisch en actief zijn van binnenuit. De studie bevestigt de standaardvisie dat neutronensterren superfluïden bevatten en dat deze vloeistoffen de sleutel zijn tot het begrijpen van de gewelddadige, plotselinge veranderingen in rotatie die astronomen over de hele melkweg observeren.