Das einzigartige Röntgenverhalten von RX J0440.9+4431

RX J0440.9+4431, auch bekannt als LS V +44 17, ist ein Sternensystem, das sowohl einen Neutronenstern als auch einen Be-Stern hat. Dieses System ist einzigartig und hat eine lange Umlaufzeit von 150 Tagen. Der Neutronenstern ist ein dichter Überrest eines massiven Sterns, während der Be-Stern ein viel grösseres und heisseres Sternenpaar ist.

Im Dezember 2022 wurde ein plötzlicher Ausbruch von Röntgenstrahlung aus diesem System festgestellt, der vom MAXI-Observatorium vermerkt wurde. Dieser Ausbruch erreichte Anfang Januar 2023 seinen Höhepunkt und begann dann abzunehmen. Allerdings wurde es später wieder heller, wobei die Röntgenhelligkeit während dieses zweiten Peaks 1 Crab überschritt, was eine Masseinheit für die Röntgenhelligkeit ist. Beobachtungen mit dem AstroSat-Satelliten wurden vom 11. bis 12. Januar 2023 durchgeführt, rund um die Zeit dieser Aufhellung. Ziel dieser Beobachtungen war es, Röntgenemissionen im Bereich von 3-80 keV mit dem LAXPC-Detektor von AstroSat zu erfassen. Die Ergebnisse zeigten eine Pulsperiode von etwa 208 Sekunden, was darauf hinweist, dass der Neutronenstern mehr Energie im weicheren Röntgenbereich ausstrahlte. Das Verhalten der Röntgenemissionen wurde mithilfe eines speziellen Modells analysiert, das Merkmale sowohl des Neutronensterns als auch des umgebenden Gases einbezog.

#Arten von Röntgenbinarien

Röntgenbinärsysteme (XRBs) sind faszinierende Systeme im All, in denen ein kompaktes Objekt, wie ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch, mit einem normalen Stern interagiert. Das kompakte Objekt zieht Material von seinem Begleitstern an, was Röntgenstrahlen erzeugt, während es in das starke Gravitationsfeld fällt.

Diese Systeme können in zwei Haupttypen unterteilt werden: nieder massige Röntgenbinärsysteme (LMXBs) und hochmassige Röntgenbinärsysteme (HMXBs). In LMXBs ist der Begleitstern weniger massiv als der Neutronenstern oder das Schwarze Loch. In HMXBs ist der Begleitstern massereicher, typischerweise ein Riesenstern.

Unter HMXBs gibt es weitere Klassifikationen. Eine Art sind die Be/X-Röntgenbinarien (BeXBs), bei denen der Begleitstern ein Be-Stern ist, bekannt für seine schnelle Rotation und die einzigartigen Emissionen, die er erzeugt. Das Vorhandensein eines Neutronensterns definiert eine BeXB. Diese Systeme zeigen oft periodische Ausbrüche von Röntgenstrahlung, die mit den wechselnden Bedingungen im Umfeld des Be-Sterns verbunden sein können.

RX J0440.9+4431 wurde 1997 während einer Umfrage entdeckt und wurde als BeXB identifiziert. Es zeigt starke Röntgenemissionen und Pulsationen, was seine Identität als Röntgenpulsar bestätigt. Der Begleitstern in diesem System, der als Be-Stern klassifiziert ist, hat Eigenschaften, die das Verhalten der Röntgenemissionen beeinflussen.

#Röntgenverhalten von RX J0440.9+4431

RX J0440.9+4431 hat im Laufe der Jahre ein Muster von Ausbrüchen gezeigt. Ein bedeutender Röntgenausbruch wurde am 29. Dezember 2022 aufgezeichnet. Das führte zu einer Beobachtungskampagne in mehreren Wellenlängen, an der verschiedene Weltraumobservatorien beteiligt waren. Der Ausbruch nahm erheblich zu und erreichte nur wenige Wochen später eine maximale Helligkeit von 2 Crab. Die Quelle dieses Ausbruchs wurde mit Daten von AstroSat untersucht, die Einblicke in die Bedingungen um den Neutronenstern gaben.

Die Röntgenemissionen aus dieser Quelle sind nicht konstant und variieren je nach der Menge an Material, das vom Be-Stern übertragen wird. Während Phasen hoher Aktivität, wie während eines Ausbruchs, interagiert der Neutronenstern mit mehr Material von seinem Begleitstern, was zu einer erhöhten Helligkeit und Röntgenemissionen führt.

#Rolle von AstroSat

AstroSat ist Indiens erstes spezialisiertes Multi-Wellenlängen-Weltraumobservatorium. Es wurde 2015 gestartet und beobachtet seither verschiedene astronomische Objekte. Zu seinen Instrumenten gehört der Large Area X-ray Proportional Counter (LAXPC), der entscheidend für die Erfassung von Röntgenstrahlen über ein breites Energieniveau ist. Der LAXPC verwendet Gas, um Röntgenstrahlen zu detektieren und kann deren Intensität und Energie mit hoher Präzision messen.

Die aktuellen Beobachtungen von RX J0440.9+4431 wurden von diesem Instrument während einer entscheidenden Zeit gemacht, als das System intensive Röntgenemissionen erlebte. Die Daten aus diesen Beobachtungen wurden analysiert, um Lichtkurven zu erstellen, die die Änderungen der Helligkeit über die Zeit widerspiegeln.

#Datenreduktion und Analyse

Der Prozess der Analyse von Daten aus AstroSat umfasst mehrere Schritte. Zuerst müssen die Rohdaten, die vom LAXPC gesammelt wurden, bearbeitet werden, um Rauschen und Hintergrundinterferenzen herauszufiltern. Dies geschieht mit spezieller Software, die die Rohmessungen in nutzbare Daten umwandelt. Die resultierenden Lichtkurven zeigen, wie die Helligkeit der Quelle sich im Laufe der Zeit verändert.

Die Analyse untersucht auch, wie die Intensität der Röntgenstrahlen über verschiedene Energiebereiche variiert. Das hilft den Wissenschaftlern zu verstehen, wie die physikalischen Prozesse um den Neutronenstern und den Be-Stern interagieren.

Die aus den Daten generierten Lichtkurven zeigten starke Fluktuationen in der Röntgenintensität, insbesondere während der Ausbrüche. Ein bemerkenswertes Merkmal der Analyse war die Entdeckung einer Pulsperiode, die mit der Rotation des Neutronenstern korrespondierte und auf etwa 208 Sekunden gemessen wurde. Das zeigt, dass der Neutronenstern in einem sehr regelmässigen Muster rotiert, das eng mit seinem Akkretionsprozess verbunden ist.

#Ergebnisse der AstroSat-Beobachtungen

Die Ergebnisse der AstroSat-Beobachtungen liefern wertvolle Informationen über das System RX J0440.9+4431. Während des Ausbruchs wurden die Röntgenemissionen hauptsächlich auf niedrigeren Energieniveaus detektiert, was auf einen Mechanismus im Zusammenhang mit kalter Scheibenakkretion hindeutet. Das bedeutet, dass das Material, das auf den Neutronenstern fällt, nicht auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wird, bevor es den Stern erreicht.

Darüber hinaus wurde in der Studie keine Anzeichen von engen Absorptionsmerkmalen, wie Zyklotronlinien, gefunden, die in früheren Forschungen festgestellt wurden. Stattdessen deuteten die Daten darauf hin, dass eine Mischung aus Modellen das Röntgenspektrum genau beschreiben könnte, das interstellare Absorption und Strahlung sowohl vom Neutronenstern als auch vom umgebenden Material umfasst.

Die Präsenz einer Eisenlinie bei etwa 6,4 keV deutet auf eine Interaktion zwischen den hochenergetischen Röntgenstrahlen und kühlerem Material hin, wahrscheinlich in einem neutralen Zustand. Das spiegelt die Komplexität der Umgebung um RX J0440.9+4431 während des Ausbruchs wider.

#Fazit

Die Untersuchung von RX J0440.9+4431 durch AstroSat hat neue Einblicke in die Dynamik innerhalb dieses einzigartigen Be/X-Röntgenbinarien-Systems während eines signifikanten Ausbruchs gegeben. Die Studie hob einen Übergang von einem niedrigeren Aktivitätszustand zu einem höheren Zustand hervor, der durch erhöhte Röntgenemissionen und Verhaltensänderungen gekennzeichnet ist. Die Ergebnisse deuteten auch darauf hin, dass der Neutronenstern allmählich langsamer wird, was sich in der längeren gemessenen Pulsperiode im Vergleich zu früheren Studien zeigt.

Insgesamt tragen die während dieser Forschung produzierten Daten zu unserem Verständnis der komplexen Verhaltensweisen von Be/X-Röntgenbinarien und den Mechanismen, die ihre Ausbrüche antreiben, bei. Die Zusammenarbeit mehrerer Observatorien und die Fähigkeiten von AstroSat waren entscheidend, um die komplexen Interaktionen innerhalb dieses Sternensystems zu entschlüsseln.