Hunting for High Magnetic Fields in Different Neutron Star Classes A. Borghese

Transcriptie

1 Hunting for High Magnetic Fields in Different Neutron Star Classes A. Borghese

2 Samenvatting Alice Borghese Hunting for high magnetic fields in different neutron star classes In dit proefschrift worden nieuwe resultaten gepresenteerd over geïsoleerde neutronensterren met sterke magneetvelden, die verkregen zijn met behulp van röntgenwaarnemingen. Een neutronenster is een van de mogelijke eindstadia van stellaire evolutie, de andere mogelijkheden zijn zwarte gaten en witte dwergen. Een ster verbrandt gedurende zijn leven lichte elementen tot zwaardere. De energie die vrijkomt bij deze processen ondersteunt de ster tegen zijn eigen zwaartekracht, en zorgt voor een evenwichtstoestand. Uiteindelijk raakt de brandstof op en stort de ster ineen als gevolg van de zwaartekracht. Het lot van de ster hangt af van de hoeveelheid massa die ineenstort. Zware sterren, met een massa tussen de negen en dertig keer die van de zon, zullen krimpen tot ze een straal hebben van tien kilometer 1 en de hoge dichtheid die inwendig bereikt wordt, genereert een druk die de instorting een halt toeroept. Het resultaat is een neutronenster: een object met het formaat van een stad en een massa grofweg gelijk aan die van de zon 2 ingesloten in een straal van ongeveer 10 km. Deze compactheid impliceert dat de interne dichtheid waardes bereikt die veel hoger liggen dan die in normale sterren en alledaagse materie. Deze compacte objecten bestaan voornamelijk uit neutronen in de buitenste lagen, daarom hebben ze de naam neutronensterren gekregen. Echter, de compositie dieper in de ster, in de kern, is nog een mysterie. Tot nu toe zijn er meer dan 2500 neutronensterren ontdekt en ze vertonen verschillende emissie-eigenschappen afhankelijk van hun leeftijd, magnetisch veld en hun omgeving. In dit werk focussen we op drie klassen geïsoleerde neutronensterren: röntgenzwakke geïsoleerde neutronensterren (in het Engels: X-ray dim isolated neutron stars, afgekort XDINSs), centrale compacte objecten (CCO s) en magnetars. Neutronsterren hebben enorme magneetvelden, waarvan de sterkte niet reproduceerbaar is in laboratoria. Het magnetische veld van de Aarde heeft een sterkte van ongeveer 1 Gauss en MRI scanners werken op ongeveer 10 4 Gauss. Het sterkste door mensen gemaakte magneetveld is ongeveer 10 7 Gauss, kan enkele microseconden blijven bestaan en wordt gegenereerd met explosieven. Het gemiddelde magneetveld van een neutronenster heeft echter een sterkte van ongeveer Ter vergelijking, de straal van de zon is ongeveer 1 miljoen km. 2 De massa van de zon is kg. Ter vergelijking, de massa van de aarde is ongeveer kg. 1

3 Gauss. Er is een kleine groep neutronensterren die magneetvelden hebben die zelfs nog 1000 keer sterker zijn, tot wel Gauss. Deze sterren worden magnetars genoemd en zijn de sterkste magneten die we kennen. XDINSs behoren tot een groep nabijgelegen, radiostille neutronensterren. Ze hebben magnetische dipoolvelden met een sterkte van Gauss aan het oppervlak, lange rotatieperiodes (P 3 11 s), en hun leeftijd wordt geschat op enkele miljoenen jaren. Ze stralen het sterkst in de laag-energetische röntgenband ( kev) en hebben spectra die lijken op die van zwarte stralers. Ze kunnen gezien worden als nabijgelegen, hete, roterende bollen, die afkoelen op tijdschalen van ongeveer 10 6 jaar. De sterke magnetische velden, hoge oppervlaktemperaturen en het mogelijke verband met magnetars maken XDINSs veelbelovende kandidaten voor neutronensterren met geometrisch complexe magneetvelden meer dan een simpel dipoolveld. Het magnetisch veld zou complexe structuren kunnen vertonen in de buurt van de korst, zoals kleine en gelokaliseerde lussen. Figure A: Artistieke impressie van de magnetar SGR Een sterk gemagnetiseerde ster zou ingesloten magnetische veldstructuren kunnen bezitten, naast een dipoolveld. Auteursrecht: ESA/ATG medialab. De röntgensatelliet XMM Newton, een ruimte-observatorium, heeft alle bekende Xins uitgebreid geobserveerd. We hebben alle beschikbare röntgendata van deze bronnen opnieuw geanalyseerd en vonden een smal absorptiefeature, met een energie van 750 ev, die slechts aanwezig was in 1/5 deel van de fase van de rotatiecyclus in de XDINS RX J Deze ontdekking wordt gepresenteerd in Hoofdstuk 2. De kleine breedte van de absorptielijn 2

4 en de sterke afhankelijkheid van de rotatiefase, wijzen erop dat de spectrale lijn waarschijnlijk veroorzaakt wordt door verstrooiing van een proton via cyclotronresonantie in een ingesloten magnetische lus dicht bij het oppervlak van de ster. Protonen verstrooien een deel van de rntgenstraling die uitgezonden wordt door de ster en zijn ingesloten in een smalle regio door een lokaal magnetisch veld waarvan de lijnen de vorm hebben van dicht bij elkaar gelegen bogen (zie Figuur A). Van de energie van de absorptielijn kunnen we de sterkte van het magneetveld van de lus afschatten. De gevonden orde van grootte is Gauss, ongeveer een factor 7 hoger dan de sterkte van het dipoolveld aan het oppervlak. Dit is de eerste keer dat een complexe magneetveldstructuur is waargenomen in een XDINS. We hebben doorgezocht in de data-archieven van XMM-Newton en vonden een feature met vergelijkbare kenmerken in een andere XDINS, RX J (Hoofdstuk 3). Aangenomen dat ook dit waargenomen feature wordt veroorzaakt door een proton-cyclotronlijn, vonden we opnieuw dat dat het lokale magneetveld op de plaats van absorptie sterker is (een factor 5) dan de berekende sterkte van het magnetische dipoolveld aan het oppervlak. Voor de andere bronnen in de groep hebben we bovengrenzen bepaald voor de aanwezigheid van smalle fase-afhankelijke absorptielijnen in hun röntgenspectra. Deze ontdekkingen ondersteunen het idee dat het magneetveld van sterk gemagnetiseerde neutronensterren inderdaad complex is, met op kleine schalen substantiële afwijkingen van een zuiver dipoolveld, en versterkt daarmee het evolutionaire verband tussen XDINSs en magnetars. CCO s zijn jonge objecten die röntgenstraling uitzenden en zich bevinden in het centrum van supernovaresten, en die in andere golflengten niet gedetecteerd worden. Deze klasse bestaat uit twaalf bevestigde bronnen, waarbij voor de meeste van deze bronnen zijn geen pulsaties gedetecteerd. De meeste straling wordt uitgezonden in het energiebereik van 0.2 tot 5 kev en is over het algemeen stabiel, waarbij de spectra meestal beschreven worden door de som van twee zwarte stralers. Hoofdstukken 4 en 5 zijn toegewijd aan de studie van de intrigerende bron in het centrum van supernovarest RCW 103. Vanwege de locatie, de laag-energetische thermische röntgenstraling en de afwezigheid van een radiotegenhanger, werd 1E geclassificeerd als onderdeel van de CCOfamilie. Echter, anders dan de andere CCO s, vertoont deze bron sterke variabiliteit in flux op tijdschalen van maanden/jaren en dit was vooral prominent tijdens de sterke uitbarsting in Op 22 juni 2016 detecteerde de Swift satelliet een korte uitbarsting van hoogenergetische röntgenstraling uit de richting van 1E Dit verschijnsel viel samen met een verhoging in de continue röntgenflux met een factor 100 in vergelijking met het qui- 3

5 escence niveau, de laagste gemeten helderheid van de bron, dat een maand eerder waargenomen was: een nieuwe uitbarsting was begonnen. We hebben observaties met de röntgensatellieten Chandra en NuSTAR uitgevoerd, kort na het begin van deze uitbarsting. Voor de eerste keer detecteerde NuSTAR röntgenstraling met hoge energieën, tot wel 30 kev. De analyse van de uitbarsting en de observaties kort na de start van de uitbarsting zijn beschreven in Hoofdstuk 4. Om de hoogenergetische röntgenstraling en de evolutie daarvan juist te karakteriseren, hebben we de bron ongeveer een jaar na de start van de uitbarsting opnieuw geobserveerd met NuSTAR. Het spectrum was verschoven naar lagere energieën en de bron was zwakker geworden. De continue röntgenflux was drie keer lager dan het niveau dat waargenomen was tijdens de piek van de uitbarsting, maar een orde van grootte hoger dan het quiescence niveau (Hoofdstuk 5). De duur en de spectrale decompositie van de uitbarsting, de energie die vrijkwam bij de laatste uitbarsting en de ontdekking van een nietthermische hoogenergetische röntgencomponent in het spectrum, alsmede de evolutie van het spectrum tijdens de afname van de uitbarsting zijn allemaal eigenschappen die erop wijzen dat 1E een magnetar is. In deze context is de lange periodiciteit (6.67 uur) geïnterpreteerd als de spinperiode. Deze huidige gemeten spinperiode is vele malen langer dan de spinperiode waar de ster mee geboren wordt. Om de neutronenster tijdens zijn levensduur van 2000 jaar zo sterk af te remmen is een efficiënt brekingsmechanisme nodig. Veel modellen beschouwen propeller interactie met een zogeheten terugvalschijf als mogelijkheid om een extra impulsmoment te leveren voor het afremmen van de spin, naast het impulsmoment dat geleverd wordt door dipoolstraling. Magnetars zijn geïsoleerde neutronensterren en men gaat ervan uit dat de röntgenstraling die ze uitzenden volledig geleverd wordt door de instabiliteit en het verval van hun sterke magnetische velden ( Gauss aan het oppervlak). Het kenmerkelijke van deze klasse neutronensterren is de onvoorspelbare en variabele uitbarstingsactiviteit die waargenomen wordt op verschillende tijdschalen (van milliseconden tot tientallen seconden). Deze periodes van opvlammingen gaan vaak samen met een toename in de continue röntgenflux, welke meestal terugkeert naar het quiescence niveau over een periode van maanden tot jaren. Deze langdurende gebeurtenissen worden uitbarstingen genoemd. In Hoofdstuk 6 hebben we de meest recente uitbarsting van de magnetar in de sterrenhoop Westerlund I, CXOU J , geanalyseerd. Op 16 mei 2017 onderging deze bron een korte uitbarsting, die het begin was van een nieuwe uitbarsting. Opmerkelijk was dat, terwijl de bron nog 4

6 herstelde van deze gebeurtenis, de Swift satelliet een nieuwe uitbarsting detecteert in oktober 2017 en een paar maanden later (februari 2018) werd nog een opvlamming geregistreerd. CXOU J bleek een zeer actieve magnetar te zijn, omdat het in het verleden ook al twee uitbarsting vertoonde, in 2006 en We hebben observationeel bewijs voor sterke magnetische veldstructuren gevonden, in de vorm van fase-afhankelijke absorptiefeatures en uitbarstingen in verschillende klassen van geïsoleerde neutronensterren, waarmee de theoretische voorspellingen worden ondersteund. 5