Egyes neutroncsillagok esetében a fejhullámok sebessége lényegesen kisebb, mint ahogyan azt korábban feltételezték.

A neutroncsillagok nagy tömegű csillagok lenyűgöző maradványai, amelyek szupernóva-robbanáson mentek keresztül. Ezek a csillagmaradványok gyakran elképesztő sebességgel száguldanak az űrben, és ahol a gyors neutroncsillag beleütközik a csillagközi gázba, úgynevezett fejhullám keletkezik. Képzeljünk el egy olyan erőteljes kozmikus szelet, amely hasonló lökéshullámot kelt az űrben, mint egy motorcsónak a vízen! Ezek tanulmányozása segítséget nyújt a nem sugárzó lökéshullámok vizsgálatában, amelyek fontos szerepet játszanak a plazma felmelegítésében és a kozmikus sugárzás részecskéinek felgyorsításában. Egy nemrég megjelent tanulmány három neutroncsillag fejhullámát vizsgálja korábban nem látott részletességgel.

Amikor egy rendkívül gyorsan mozgó objektum, mint például egy neutroncsillag, áthalad a gáz- és porfelhőkkel teli csillagközi térben, izgalmas fejhullám mintázatot generál. A neutroncsillag intenzív szele és a környező csillagközi anyag közötti kölcsönhatás során lökéshullámok keletkeznek, amelyek hasonlítanak a víz felszínén haladó motorcsónak orránál megjelenő fejhullámokra. E jelenség nyomán egy dinamikus és vizuálisan lenyűgöző hullámforma jön létre, amely a fizika és az asztrofizika határvonalán mozog.

A neutroncsillagok fejhullámai szinte észrevétlenek a hagyományos sugárzás szempontjából: sem fény, sem hő formájában nem bocsátanak ki jelentős mennyiséget. Azonban egy érdekes jelenséget, az úgynevezett Hα, vagyis hidrogén-alfa sugárzást generálnak, amely a csillagközi térben található semleges hidrogénatomok izgatásának eredményeként jön létre. A csillagászok számára a Hα-emisszió megfigyelése lehetőséget nyújt arra, hogy alaposan tanulmányozzák a neutroncsillagok fejhullámát és annak hatásait.

A kutatás során a szerzők három neves neutroncsillagot, a J0742-2822-t, a J1741-2054-et és a J2225+6535-öt (más néven Gitár-köd) célozták meg, hogy alaposan megvizsgálják fejhullámaikat. Az integrálismező spektroszkópia módszerével, amely lehetővé teszi az égitest pozíciójának és spektrális tulajdonságainak együttes rögzítését, részletes elemzést végeztek a fejhullámok struktúrájáról. A kutatás a hawaii Keck II teleszkóp Cosmic Web Imager (KCWI) eszközével valósult meg. Ezzel a megközelítéssel szemben a hagyományos spektroszkópia, amely csak egyetlen régió emissziójának egydimenziós spektrumát biztosítja, az integrálismező spektroszkópia lehetőséget ad arra, hogy a csillagászok kétdimenziós spektrumokat kapjanak, így részletesebben feltérképezhetik a lökéshullámok jellemzőit. E kutatás keretében tanulmányozni tudják a hullámok formáját, sebességeloszlását és a Hα-emisszió intenzitását, amely lehetővé teszi számukra, hogy pontosabb képet alkothassanak a fejhullámok dinamikájáról.

A Hα-emisszió elemzése elengedhetetlen a fejhullámok fizikájának mélyebb megértéséhez. E jelenségnek két alapvető komponense van: az egyik egy keskeny vonal, amely a csillagközi térben található környező gáz jellegzetességeit tükrözi, míg a másik egy szélesebb vonal, amely a fejhullám aktivitása révén keletkezik. E két vonal arányának vizsgálata kulcsfontosságú információkat szolgáltat a fejhullám sebességéről, továbbá betekintést nyújt az elektronok és ionok hőmérsékleti viszonyaira, valamint a részecskék energiaeloszlására vonatkozóan.

A kutatók új felfedezései szerint a neutroncsillagok fejhullámainak sebessége a két vonal arányának elemzése alapján mindhárom esetben kevesebb, mint 200 kilométer/másodperc. Ez a megállapítás éles ellentétben áll a szupernóva-maradványoknál tapasztalt lökéshullámokkal, amelyek akár 1000 kilométer/másodperc sebességet is elérhetnek. Az eredmények arra figyelmeztetnek, hogy a neutroncsillagok fejhullámai egy sajátos, alacsony sebességű tartományba tartoznak, és a létező modellek, amelyek a gyorsabb eseményekre épültek, nem képesek megfelelően leírni a lassabb lökéshullámok viselkedését. A további megértéshez, különösen az elektronok és ionok közötti hőmérsékleti viszonyok és a részecskék gyorsulásának folyamatainak feltérképezéséhez, új kutatási modellek kidolgozása válik szükségessé.

A nem sugárzó, alacsony sebességű lökéshullámok tanulmányozása kulcsfontosságú számos okból kifolyólag:

- A kozmikus sugárzás felgyorsulása: A tudósok úgy vélik, hogy a nem sugárzó lökéshullámok képesek a részecskék jelentős sebességre történő felgyorsítására, ezzel hozzájárulva a kozmikus sugárzás megjelenéséhez, amelyet az űrben száguldó, nagy energiájú töltött részecskék alkotnak. A lökéshullámok különféle sebességeken mutatott viselkedésének részletes vizsgálata segíthet feltárni a kozmikus sugárzás eredetét, valamint azt, hogy milyen szerepet játszanak ebben a neutroncsillagok.

- Energiaátvitel a lökéshullámokban: a nem sugárzó lökéshullámok segíthetnek megértenünk, hogyan adódik át az energia a különböző típusú részecskék, például az elektronok és protonok között. A gyorsabb lökéshullámokban az elektronok és a protonok hőmérséklete jelentősen eltérhet, de a lassabb lökéshullámokban, mint amiket ebben a tanulmányban is vizsgáltak, a hőmérsékletek jobban közelítenek egymáshoz. Ennek az egyensúlynak a megértése betekintést enged a lökéshullámok fizikájába, valamint abba, hogy miként gyorsítják fel a részecskéket.

Asztrofizikai modellezés terén a nem sugárzó lökéshullámok legnagyobb részét szupernóva-maradványok által generált nagy sebességű lökéshullámokra alapozzák. A szakértők véleménye szerint azonban elengedhetetlen, hogy a meglévő modelleket kiegészítsük a lassabb lökéshullámokkal, mivel ezek sajátos működési mechanizmusokkal rendelkeznek, és új elméleti kereteket követelnek meg a megértésükhöz.

A kutatás eredményei új dimenziókat nyitnak meg a neutroncsillagok fejhullámainak titokzatos jelenségeinek megértésében, különösen a korábban felfedezetlen, alacsony sebességű tartományban. A lassú lökéshullámok tanulmányozása lehetőséget ad arra, hogy részletesebben feltárjuk a plazma felmelegedésének folyamatait, és megértsük, hogyan érhetik el a részecskék a kozmikus sugárzás sebességét. A kutatók a tanulmányban megkérdőjelezik a korábbi, nem sugárzó lökéshullámokról kialakított nézeteket, és hangsúlyozzák, hogy a lassú lökéshullámok sajátos viselkedésének megértéséhez új elméletek kidolgozására van szükség. Ez a felfedezés új lehetőségeket nyithat meg az asztrofizika területén, és talán forradalmi áttöréseket hozhat számunkra a jövőben.