Discovery of an Extremely Luminous Sporadic Radio Pulsar

Diep in de koude, donkere stilte van de ruimte zijn er dode sterren die nog steeds spreken. Dit zijn neutronensterren, de ongelooflijk dichte, stadsgrote resten die achterblijven wanneer massieve sterren exploderen. De meeste van hen draaien snel en zenden radiogolven uit in het universum als vuurtorens. Wanneer deze stralen langs de aarde vegen, detecteren wij een regelmatige puls, wat hen de naam pulsars oplevert. Decennialang hebben astronomen duizenden van deze kosmische klokken in kaart gebracht, waarbij ze deze gebruikten om de wetten van de fysica te testen en de structuur van de ruimtetijd te meten. Echter, niet alle neutronensterren zijn constante bakens. Sommigen zijn erratisch, flikkeren onvoorspelbaar aan en uit, of verbergen hun signalen volledig voor lange perioden. Dit zijn de zogenaamde rotating radio transients, of RRATs. Ze zijn moeilijk te vinden omdat ze niet met een constant ritme schijnen; in plaats daarvan fluisteren ze in sporadische, willekeurige flitsen die gemakkelijk door telescopen die zoeken naar constante patronen worden gemist. Het begrijpen van deze ongrijpbare objecten is cruciaal omdat ze de sleutel kunnen bevatten tot een ander soort kosmisch mysterie: fast radio bursts. Dit zijn krachtige, milliseconde-lange flitsen van radio-energie afkomstig uit verre sterrenstelsels, en hoewel hun oorsprong een van de grootste puzzels in de astronomie blijft, vermoeden veel wetenschappers dat ze gerelateerd zijn aan het gedrag van deze erratische neutronensterren.

Een team van astronomen dat gebruikmaakt van de Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, een enorme radiotelescoop in British Columbia, heeft nu het meest lichtsterke voorbeeld van een dergelijke erratische ster ontdekt die ooit is vastgelegd. Ze vonden een neutronenster, genaamd PSR J2108+5055, die zich ongeveer 1.600 lichtjaar ver in ons eigen Melkwegstelsel bevindt. Deze ster is een ware uitzondering. Terwijl de meeste pulsars een constante stroom radiogolven uitzenden, is deze een sporadische mode-changer, wat betekent dat hij wisselt tussen een stille staat waarin hij bijna stil is en een heldere staat waarin hij krachtige pulsen loslaat. De onderzoekers detecteerden meer dan tweeduizend van deze pulsen over meerdere jaren, maar het gedrag van de ster is zo onregelmatig dat hij onzichtbaar was voor eerdere surveys die zochten naar constante signalen. De meest opmerkelijke ontdekking is de enorme kracht van zijn helderste flitsen. Het team mat een enkele puls met een piekhelderheid van 3,1 kilojansky, een eenheid van radio-intensiteit. Om dit in perspectief te plaatsen: als je deze ster aan de rand van onze Lokale Groep van sterrenstelsels zou plaatsen, zou een enorme telescoop in China genaamd FAST zelfs zijn helderste flits kunnen detecteren. Dit maakt PSR J2108+5055 de bekendste heldere rotating radio transient, die alle anderen van zijn soort met een aanzienlijke marge overtreft.

De ontdekking verliep niet zonder slag of stoot. De gebruikte telescoop, CHIME, is ontworpen om een breed deel van de hemel te scannen terwijl de aarde draait, maar hij volgt geen individuele objecten zoals een traditionele telescoop dat doet. Dit betekent dat de data complex is, en de pulsen van de ster werden vaak gevangen in de "side lobes" van het gezichtsveld van de telescoop, wat minder gevoelige gebieden aan de rand van zijn gezichtsveld zijn. De onderzoekers moesten nieuwe methoden ontwikkelen om deze signalen te kalibreren en te bevestigen dat de pulsen inderdaad afkomstig waren van een enkele, draaiende bron. Ze ontdekten dat de ster één keer elke 0,495 seconden draait en een krachtig magnetisch veld heeft, maar dat hij de meeste tijd in een "nulling"-modus doorbrengt, waarin hij bijna niets uitzendt. Wanneer hij wakker wordt, wisselt hij tussen twee verschillende modi van helderheid. De ene modus is zwak, terwijl de andere ongelooflijk helder is, waarbij de heldere pulsen ongeveer twintig keer sterker zijn dan de zwakke pulsen. Het team merkte ook op dat de pulsen van de ster op iets andere tijden aankomen, afhankelijk van de modus waarin hij zich bevindt, een subtiele aanwijzing die hen hielp het ware ritme van de ster te ontrafelen.

Wat deze ontdekking zo belangrijk maakt, is wat het suggereert over de populatie van neutronensterren in ons sterrenstelsel. Eerdere surveys, die zochend waren naar constante signalen of korte bursts, hebben deze ster waarschijnlijk volledig gemist omdat hij zich niet als een typische pulsar gedraagt. De onderzoekers gebruikten een eenvoudig model om te schatten hoeveel andere sterren zoals deze zich in de hemel zouden verbergen. Ze concludeerden dat er tientallen, misschien wel rond de tachtig, van deze extreem heldere maar sporadische bronnen kunnen zijn die door traditionele methoden onontdekt zijn gebleven. Dit impliceert dat het universum gevuld is met meer van deze "verstopte" reuzen dan we voorheen dachten, en dat we nieuwe, langdurige surveys nodig hebben om hen te vinden. De studie plaatst deze ster ook in de context van fast radio bursts. Hoewel de pulsen van PSR J2108+5055 ongelooflijk helder zijn voor een pulsar, zijn ze nog steeds veel te zwak om de fast radio bursts te zijn die uit andere sterrenstelsels komen. Echter, het feit dat een neutronenster in onze eigen achtertuin zulke intense, milliseconde-lange flitsen kan produceren, laat zien dat de machinerie binnen deze sterren in staat is om energie te genereren op een schaal die de kloof overbrugt tussen gewone pulsars en de mysterieuze fast radio bursts.

De onderzoekers zochten ook naar deze ster in andere delen van het spectrum, zoals röntgenstraling en zichtbaar licht, maar vonden niets. Dit bevestigt dat de ster een pure radio-emittent is, zonder zichtbare tegenhanger of sterke röntgengloed, wat typerend is voor dit type object. Door de rotatie van de ster en de mate waarin deze in de loop van de tijd vertraagt te meten, berekenden zij dat de ster ongeveer 12 miljoen jaar oud is en een oppervlaktemagnetisch veld heeft dat miljarden malen sterker is dan dat van de aarde. De energie die het verliest terwijl het draait, wordt met een verrassend hoge efficiëntie omgezet in radiogolven tijdens de korte momenten dat het actief is. Deze ontdekking lost het mysterie van fast radio bursts niet op, maar het breidt ons begrip van wat neutronensterren in staat zijn uit. Het laat zien dat er zelfs binnen ons eigen sterrenstelsel extreme objecten zijn die onze verwachtingen tarten, die even schitterend flitsen voordat ze weer in de duisternis verdwijnen. Naarmě nieuwe telescopen in gebruik worden en surveys gevoeliger worden, verwachten astronomen meer van deze ongrijpbare, krachtige transiënten te vinden, die een verborgen populatie van sterren onthullen die alleen in fluisteringen spreken.