XRISM ziet verrassend trage en dichte wind van neutronenster

Vorig jaar gebruikte XRISM zijn Resolve-instrument om neutronenster GX13+1 te bekijken, de overgebleven kern van een ontplofte ster. Een schijf van hete materie rond GX13+1, bekend als een accretieschijf, daalt geleidelijk in een spiraal naar het oppervlak, dat daarbij röntgenstraling uitzendt. Zulke instromen voeden ook uitstroom die weer invloed heeft op de omgeving rond de ster. Het blijft echter voer voor discussie hoe deze uitstroom wordt geproduceerd. Daarom richtte XRISM zijn aandacht op GX13+1.

Uitstromen komen ook voor bij superzware zwarte gaten (SMBH; supermassive black hole) in het centrum van sterrenstelsels en kunnen stervorming aanwakkeren door het doen instorten van gigantische moleculaire wolken, of ze kunnen stervorming juist stoppen door die wolken te verwarmen en uit elkaar te blazen. Astronomen noemen dit ‘feedback’, die zo krachtig kan zijn dat een SMBH de groei van zijn hele sterrenstelsel beïnvloedt.

Aangezien het mechanisme achter de winden van SMBH’s mogelijk fundamenteel hetzelfde is als die rond neutronensterren, koos het XRISM-team ervoor om naar GX13+1 te kijken, op kortere afstand.

Toen kwam de verrassing. Een paar dagen voordat de waarnemingen stonden ingepland, werd GX13+1 onverwacht helderder. Ze bereikte of overschreed zelfs een theoretische limiet die bekend staat als de Eddington-limiet. Het principe achter deze limiet is dat naarmate er meer materie op een compact object zoals een zwart gat of een neutronenster valt, er meer energie vrijkomt. Hoe sneller de energie vrijkomt, hoe groter de druk die het uitoefent op ander invallend materiaal, waardoor meer ervan terug de ruimte in wordt geduwd. Op de Eddington-limiet is de hoeveelheid geproduceerd hoogenergetisch licht voldoende om bijna alle invallende materie om te zetten in een kosmische wind.

Resolve keek toevallig naar GX13+1 toen dit verschijnsel zich ineens voordeed. ‘We hadden dit niet kunnen plannen, zelfs als we dat hadden geprobeerd,’ aldus Chris Done van de Universiteit van Durham (VK), de onderzoeksleider. ‘Het systeem ging van ongeveer de helft van zijn maximale stralingsoutput naar iets veel intensievers, waardoor een wind ontstond die dikker was dan we ooit eerder hadden gezien.’

Maar gek genoeg bewoog de wind zich niet met de snelheid die de XRISM-wetenschappers hadden verwacht. Hij bleef rond de één miljoen km/u. Dat is langzaam in vergelijking met de kosmische winden die worden geproduceerd in de buurt van de Eddington-limiet rond een SMBH. In die situatie kunnen de winden 20 tot 30 procent van de lichtsnelheid bereiken, meer dan 200 miljoen km/u.

‘De winden zijn totaal verschillend, maar ze komen uit systemen die ongeveer hetzelfde zijn qua Eddington-limiet. Dus als deze winden echt alleen door stralingsdruk worden aangedreven, waarom zijn ze dan verschillend?’ vraagt Done zich af.

Het team stelt nu voor dat het te maken heeft met de temperatuur van de accretieschijf. In tegenstelling tot wat je zou verwachten, hebben SMBH’s meestal accretieschijven met een lagere temperatuur dan die rond stellaire binaire systemen met stellaire zwarte gaten of neutronensterren. Dit komt doordat de accretieschijven rond SMBH’s groter zijn. Ze zijn ook helderder, maar hun kracht wordt over een groter gebied verspreid. Daarom zenden ze typische ultravioletstraling uit, wat minder energie bevat dan röntgenstraling.

Aangezien ultraviolet licht veel betere wisselwerking heeft met materie dan röntgenstraling, speculeert het XRISM-onderzoeksteam dat dit de materie efficiënter kan voortstuwen, waardoor de snellere winden ontstaan die bij SMBH’s worden waargenomen. In dat geval belooft deze ontdekking ons begrip te veranderen over hoe energie en materie wisselwerken in de meest extreme situaties in het heelal.

‘Stratified wind from a super-Eddington X-ray binary is slower than expected’, Nature