NICER – vývoj rentgenové dvojhvězdy

NICER – vývoj rentgenové dvojhvězdy

20. ledna 2024

Umělecká představa první známé černé díry Cygnus X-1.

Většina hvězd ve vesmíru není osamocena, ale vyskytuje se ve formě vícenásobných systémů. Známe trojhvězdy, čtyřhvězdy a dokonce i vícečetné soustavy. Přesto jsou však nejčastějším případem dvojhvězdy. A dokonce i v případě vícenásobných systému je to často tak, že dvě hvězdy kolem sebe obíhají velmi těsně, zatímco další jsou vzdáleny už poněkud více, což zajišťuje větší stabilitu systému. Hvězdných soustav známe celou řadu typů, ať už jde o dvojice neutronových hvězd, dvojice bílých trpaslíků, dvojice hvězd hlavní posloupnosti, či jejich různé kombinace. Složky systému se navíc mohou dotýkat, přecházet z našeho pohledu jedna před druhou a podobně. My se však dnes zaměříme na tzv. rentgenové dvojhvězdy a na přístroj, který jednu takovou velmi zajímavou dvojhvězdu zkoumal.

NICER

Dragon při misi CRS-11 má na svém trupu jednu ikonku ISS.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Mezinárodní kosmická stanice hostí množství experimentů spadajících do snad všech myslitelných oblastí výzkumu, není proto divu, že zde mají místo i astrofyzikální experimenty. Jedním z nich je přístroj NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer). Jak už nám naznačuje název, jedná se hlavně o přístroj věnovaný studiu neutronových hvězd. Astronomy a fyziky zajímá gravitační a jaderná fyzika v extrémních prostředích. A právě neutronové hvězdy, v nichž je hustota hmoty srovnatelná s hustotou atomového jádra, jsou pro tyto výzkumy ideální.

NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer) na ISS.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Jak už to v kosmonautice bývá, i zde došlo ke zpoždění oproti plánu. NICER byl připraven ke startu už na rok 2016, nicméně v červnu 2015 došlo ke ztrátě nákladní lodě Dragon při misi CRS-7, což vedlo ke zpoždění dalších letů. Nakonec se tak přístroj vydal na oběžnou dráhu až 3. června 2017 při misi CRS-11, kdy byl umístěn vzadu v prázdném trunku lodi Dragon. Vzhledem k tomu, že je NICER připojený k ISS, parametry oběžné dráhy jsou stejné, tedy doba oběhu 92,66 minuty, sklon vůči rovníku 51,64 stupně a výška 402 kilometrů.

Přístroj NICER na ISS
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Hlavním cílem projektu NICER je provádění výzkumu neutronových hvězd v měkkém rentgenovém záření a to konkrétně v rozsahu 0,2 až 12 keV. Astronomové chtějí dělat u vybraných zdrojů spektroskopii, dále zkoumat vnitřní strukturu neutronových hvězd, popřípadě zkoumat mechanismy, které extrémně urychlují nabité částice. NICER disponuje velkým vědeckým přístrojem X-ray Timing Instrument (XTI), což je soubor 56 rentgenových fotonových detektorů, které snímají přicházející fotony a měří jejich energii a čas příletu. Díky tomu, že je NICER vybaven přijímačem GPS (nefungoval by bez obecné teorie relativity), je možné velmi přesně určit čas, kdy k nám fotony dorazily.

XTE J1810-189

Ukázka rentgenové dvojhvězdy, kde je jednou ze složek neutronová hvězda.
Zdroj: https://www.cfa.harvard.edu/

Od doby své instalace na ISS už se NICER zapříčinilo několik velmi pěkných objevů. My se dnes ale podíváme pouze na jeden, jenž se týká se rentgenové dvojhvězdy XTE J1810-189. Rentgenové dvojhvězdy mají ve své soustavě vždy dvě rozdílné složky. První hvězdou je běžná hvězda hlavní posloupnosti nebo bílý trpaslík, druhou je pak kompaktní neutronová hvězda nebo černá díra. Dynamika systému je ale vždy podobná. Kompaktní objekt (černá díra či neutronová hvězda) na sebe přetahuje materiál z většího doprovodného společníka. Právě podle hmotnosti souputníka kompaktního objektu dělíme rentgenové dvojhvězdy na ty lehké a naopak těžké.

XTE J1810-189 patří do kategorie málo hmotných rentgenových dvojhvězd. Jejich přesná vzdálenost od nás není známa, víme jen, že je značná, něco mezi 11 400 a 28 400 světelnými roky. Zajímavé je, že se tento zdroj projevuje v čase různě. Střídají se u něj fáze klidu s okamžiky, kdy vyzařuje velmi silné emise rentgenového záření. Ty jsou způsobeny tím, že materiál ze souputníka dopadá na neutronovou hvězdu. Občas nastanou i chvíle, kdy emise rentgenového záření trvá dlouho, jako na podzim 2020. Rentgenový výbuch začal v září tohoto roku a trval tři měsíce. A to byla voda na mlýn astronomům zabývajícím se těmito objekty. Tým odborníků pracující s přístrojem NICER vedla Arianna Manca z univerzity v Cagliari na Sardinii.

Rentgenový výbuch u dvojhvězdy XTE J1810-189

Světelná křivka rentgenové dvojhvězdy XTE J1810-189 pro různé energie. Data pocházejí z přístroje MAXI.
Zdroj: http://maxi.riken.jp/

Skupina vědců při rentgenovém výbuchu na podzim 2020 studovala spektrální vývoj zdroje XTE J1810-189. Použili k tomu právě přístroj NICER, s jejíž pomocí získali data v energetickém rozmezí 1 – 10 keV. Prováděli také modely toho, jaké objekty v tomto systému nejpřesněji odpovídají získaným datům. Během roku 2020 se jim podařilo obdržet z NICERu 33 pozorování XTE J1810-189. Z toho 23 mělo dostatečně dlouhou expozici i kvalitu na to, aby z nich bylo možné provést spektrální analýzu. 22 pozorování se velmi dobře shoduje s tepelně Comptonizovanou složkou, jejíž spektrální index se v čase mění a nejvyšší hodnoty dosahuje až na samotném konci výbuchu.

Teď jste možná zaznamenali nějaká neznámá slovíčka, která si musíme vysvětlit. Spektrální index je míra závislosti hustoty zářivého toku na frekvenci. Frekvence neboli kmitočet udává počet opakování nějakého děje za jednotku času, zářivý tok potom udává kolik záření o všech vlnových délkách projde určitou plochou za danou dobu. Spektrální index je vždy nějaké přesně dané číslo, pro kosmické záření je to konkrétně 3. To znamená, že pokud snížíme energie kosmického záření desetinásobně, tedy o jeden řád, klesá jeho intenzita zhruba stonásobně.

XTE J1810-189 z evropské observatoře INTEGRAL.
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Ještě více vás možná zaujala Comptonizovaná složka. Oč jde? Když se foton při interakci s nabitou částicí (obvykle elektronem) odchýlí od původní trajektorie, sníží se v důsledku toho jeho energie. To nazýváme jako Comptonův jev. Tento efekt objevil v roce 1923 významný americký fyzik Arthur H. Compton. O pouhé čtyři roky později obdržel za tento výsledek Nobelovu cenu za fyziku. Je-li tedy něco Comptonizované, znamená to, že jde o výsledek působení Comptonova jevu. V tomto případě fotony rentgenového záření patrně vznikají rozptylem fotonů na horkých elektronech. Energie fotonů se v tomto případě nesnižuje, nýbrž zvyšuje (naopak energie elektronů se snižuje), proto také nejde o klasický Comptonův jev, ale o tzv. inverzní Comptonův jev.

Původ fotonů

Inverzní Comptonův rozptyl.
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Co se ovšem prozatím zjistit nepodařilo je to, odkud fotony, které prošly inverzním Comptonovým rozptylem pocházejí. Podle zjištěných dat se zdá, že mohly vzniknout buď přímo na povrchu neutronové hvězdy a nebo v horkém akrečním disku. Tento plochý disk plný plynu a prachu obíhá kolem neutronové hvězdy a obsahuje materiál, který si tato hvězda natahala ze svého souputníka. Rozhodnout mezi těmito dvěma alternativami ovšem v tuto chvíli není možné, potřebný je další výzkum.

Astronomové také v průběhu tříměsíčního výbuchu odhalili několik termonukleárních vzplanutí. Ty jsou způsobeny tím, že na povrch neutronové hvězdy dopadá plazma z druhé hvězdy, což způsobuje zažehnutí termonukleární reakce. Tyto události nám také mohou být velmi užitečné. Charakter a délka trvání těchto vzplanutí nám totiž napovídá leccos o charakteru souputníka neutronové hvězdy. V tomto případě se zdá, že jde o běžnou hvězdu hlavní posloupnosti (hvězdná dospělost a nejdelší fáze života hvězdy) velmi bohatou na vodík. Tedy, vodík je, jak víme, nejběžnější prvek ve vesmíru, takže všechny hvězdy mají vysoký podíl vodíku (vysoce přes 90 %), nicméně tato hvězda jej má přece jen ještě znatelně více než mnohé jiné známé hvězdy.

Závěr

Přístroj NICER nám znovu ukázal svou užitečnost při zkoumání vysoce energetických procesů probíhajících v kosmickém prostoru. Tento výzkum rentgenové dvojhvězdy vrhá trochu světla do původu a fungování těchto stále poněkud tajemných objektů, tím spíše, že se podařilo zachytit ne zcela obvyklý tříměsíční výbuch. Navíc je zde potenciál zisku dalších zajímavých výsledků v budoucnu. A to nejen u této dvojhvězdy, ale i z dalších podobných těles, kde můžeme testovat fungování fyzikálních procesů v extrémních prostředích.

Doporučené a použité zdroje

NICER NASA: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/nicer/

Zdroje obrázků

Kontaktujte autora: hlášení chyb, nepřesností, připomínky

Prosím čekejte...

Rubrika Věda a výzkum

Štítky: astrofyzika, dvojhvězdy, fyzika, ISS, NASA, NICER

Níže můžete zanechat svůj komentář.

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.