Confirming the most massive neutron star with observations of its companion

Abstract

The ultimate purpose of the project is to constrain the unknown behaviour of the strong nuclear force at densities above that of the atomic nucleus, in particular the unknown state and composition of matter at these high densities, by measuring the mass of a (potentially very massive) neutron star, PSR J1748−2021B (pulsar B below) located in the globular cluster NGC 6440. From a relativistic effect measured in radio timing, we have determined that the total mass of the binary is 2.92 ± 0.15 solar masses (M☉). A statistical analysis indicates a likely pulsar mass (MP) of 2.74 ± 0.20 M☉, which if confirmed would be a revolution in our understanding of the unknown state of matter at supra-nuclear densities (e.g., Özel & Freire 2016). However, the masses of the individual components cannot not yet be determined from radio timing. A possible way of measuring them would be to detect the companion star at optical/near IR wavelengths. We have thus been granted 5.2 hours on the James Webb Space Telescope (JWST) in Cycle 1 to observe pulsar B with the NIRCam instrument. If we detected the pulsar’s companion star in the NIRCam images and found that, as suspected, it is a low-mass white dwarf star, then we would have been able to estimate its mass from multi-band photometry and hence determine the MP. To timely process and analyse our new JWST data and publish the results, we have been granted a funding of 1.5 years through the DLR’s support on Astronomy and Astrophysics research. Despite the much improved sensitivity provided by the JWST, the companion of pulsar B was not detected in our images. This indicates that it is not a regular main-sequence star but, as suspected, a compact object. The non-detection implies that we cannot constrain the mass of the companion and thus we cannot demonstrate that pulsar B is the most massive neutron star. On the positive side, this implies that the total mass of the system inferred from the rate of advance of the periastron is correct. In addition to the identification of the companion to pulsar B, we have looked for the companions to four other binary pulsars in NGC 6440, detecting the companion to one of them (pulsar D). We have, in addition, published the masses and ages of the stellar population in the centre of NGC 6440. This includes an unprecedented study of the low-mass (0.12 - 0.5 M☉) stellar population in any globular cluster, which has until now been inaccessible to any telescopes. Using our JWST data, we have identified distinct stellar populations, i.e., upper and lower main-sequence splits of NGC6440 and published our first paper of the project. Datei-Upload durch TIB Ziel des Projekts ist es, das unbekannte Verhalten der starken Kernkraft bei Dichten oberhalb der des Atomkerns, insbesondere den unbekannten Zustand und die Zusammensetzung der Materie bei diesen hohen Dichten, durch die Messung der Masse eines (möglicherweise sehr massereichen) Neutronensterns, PSR J1748-2021B (Pulsar B unten) im Kugelsternhaufen NGC 6440, einzugrenzen. Aus einem relativistischen Effekt, der in einer Radiozeitreihenmessung bestimmt wurde, haben wir ermittelt, dass die Gesamtmasse des Systems 2,92±0,15 Sonnenmassen (M☉) beträgt. Eine statistische Analyse deutet auf eine wahrscheinliche Pulsarmasse (PM) von 2,74±0,20 M☉ hin, die, falls sie sich bestätigt, eine Revolution in unserem Verständnis des unbekannten Zustands der Materie bei supranuklearen Dichten darstellen würde (z. B. Özel & Freire 2016). Die Massen der einzelnen Komponenten lassen sich jedoch noch nicht aus der Radiozeitreihenmessung bestimmen. Ein möglicher Weg, sie zu messen, ist der Nachweis des Begleitsterns bei optischen/nahen IR-Wellenlängen. Wir haben daher 5,2 Beobachtungsstundenam JWST in Zyklus 1 zur Verfügung gestellt bekommen, um Pulsar B mit dem NIRCam-Instrument zu beobachten. Wenn wir den Begleitstern des Pulsars in den NIRCam-Bildern entdeckt und festgestellt hätten, dass es sich, wie vermutet, um einen massearmen Weißen Zwergstern handelt, hätten wir seine Masse aus der Multiband-Photometrie abschätzen und somit die PM bestimmen können. Um unsere neuen JWST-Daten zeitnah zu verarbeiten, zu analysieren und die Ergebnisse zu veröffentlichen, haben wir im Rahmen der DLR-Förderung für Astronomie und Astrophysik eine Finanzierung von 1,5 Jahren erhalten. Trotz der deutlich verbesserten Empfindlichkeit des JWST wurde der Begleiter von Pulsar B in unseren Bildern nicht entdeckt. Dies deutet darauf hin, dass es sich nicht um einen regulären Hauptreihenstern, sondern, wie vermutet, um ein kompaktes Objekt handelt. Die Nichtentdeckung bedeutet, dass wir die Masse des Begleiters nicht eingrenzen können und somit noch nicht nachweisen können, dass Pulsar B der massivste je entdeckte Neutronenstern ist. Zusätzlich zur Identifizierung des Begleiters von Pulsar B haben wir nach Begleitern für vier weitere Doppelpulsare in NGC 6440 gesucht und den Begleiter von einem von ihnen (Pulsar D) entdeckt. Darüber hinaus haben wir die Massen und das Alter der stellaren Population im Zentrum von NGC 6440 veröffentlicht. Dies beinhaltet eine noch nie dagewesene Studie der massearmen (0,12 - 0,5 M☉) Sternpopulation in einem Kugelsternhaufen, die bisher für alle Teleskope unzugänglich war.