Die "Knochen" der kosmischen Geisterhand sehen

Die "Knochen" der kosmischen Geisterhand sehen

Röntgen: NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE) Infrarot: NASA/JPL-Caltech/DECaPS Bildverarbeitung: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

Im Jahr 1895 entdeckte Wilhelm Röntgen die Röntgenstrahlen und nutzte sie zur Abbildung der Handknochen seiner Frau, was den Einsatz dieses Diagnoseinstruments in der Medizin revolutionierte. Nun haben Astronomen die Abbildungsfähigkeiten zweier Röntgen-Weltraumteleskope der NASA kombiniert, um das Magnetfeld-„Skelett“ einer seltsamen handförmigen Struktur im Weltraum freizulegen. Gemeinsam enthüllten die beiden Teleskope das Verhalten eines toten, kollabierten Sterns, der durch eine Wolke aus energiereicher Materie und Antimaterieteilchen weiterhin leuchtet.

Vor etwa 1.500 Jahren verbrannte der Kernbrennstoff eines Riesensterns in unserer Milchstraße. Wenn dies geschieht, kollabiert der Stern in sich selbst und bildet ein extrem dichtes Objekt, das als Neutronenstern bekannt ist.

Rotierende Neutronensterne oder Pulsare mit starken Magnetfeldern bieten Labore für extreme Physik unter Bedingungen, die auf der Erde nicht reproduziert werden können. Junge Pulsare erzeugen Materie- und Antimateriestrahlen, die von den Polen des Pulsars austreten, begleitet von starken Winden, die einen „Pulsarwindnebel“ bilden.

Durch die Kombination der Chandra- und IXPE-Daten erhalten Astronomen neue Erkenntnisse darüber, wie Pulsare Partikel in den Weltraum schleudern und ihre Umgebung formen. Hier werden Röntgendaten und Infrarotdaten der Dark Energy Camera in Chile angezeigt. Junge Pulsare produzieren Materie- und Antimateriestrahlen, die sich von den Polen des Pulsars nach außen bewegen, und erzeugen gleichzeitig starke Winde, die einen „Pulsarwindnebel“ bilden. Der Pulsarwindnebel mit der Bezeichnung MSH 15-52 ähnelt einer menschlichen Hand und liefert Astronomen Informationen darüber, wie diese Objekte entstehen. Röntgen: NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE) Infrarot: NASA/JPL-Caltech/DECaPS Bildverarbeitung: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

Im Jahr 2001 beobachtete das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA erstmals den Pulsar PSR B1509-58 und stellte fest, dass sein Pulsarwindnebel (genannt MSH 15-52) einer menschlichen Hand ähnelt. Der Pulsar PSR B1509-58 befindet sich an der Basis der „Hand“ des Nebels, MSH 15-52, 16.000 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Nun beobachtet das neueste Röntgenteleskop der NASA, der Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), MSH 15-52 seit etwa 17 Tagen. Das ist die längste Zeit, die IXPE seit seinem Start im Dezember 2021 jemals ein einzelnes Objekt beobachtet hat.

„Die IXPE-Daten liefern uns die erste Karte des Magnetfelds in der ‚Hand‘ des Nebels“, sagte Roger Romani von der Stanford University, der Hauptautor der Studie. „Geladene Teilchen, die Röntgenstrahlen erzeugen, bewegen sich entlang des Magnetfelds und bestimmen die Grundform des Nebels, genau wie die Knochen einer menschlichen Hand.“

IXPE liefert Informationen über die Richtung des elektrischen Röntgenfelds, die durch das Magnetfeld der Röntgenquelle bestimmt wird und als Röntgenpolarisation bezeichnet wird. In großen Bereichen von MSH 15-52 ist der Grad der Polarisation sehr hoch und erreicht den höchsten Wert, der aufgrund theoretischer Studien erwartet wird. Um diese Stärke zu erreichen, muss das Magnetfeld sehr geradlinig und gleichmäßig sein, was bedeutet, dass diese Regionen des Pulsarwindnebels wenig Turbulenzen aufweisen.

„Wir alle kennen Röntgenstrahlen als medizinisches Diagnoseinstrument für Menschen“, sagte Co-Autorin Josephine Wong, ebenfalls von der Stanford University. „Hier haben wir Röntgenstrahlen auf eine andere Art und Weise eingesetzt, und auch hier werden Informationen sichtbar, die wir nicht sehen können.“

Ein besonders interessantes Merkmal von MSH 15-52 ist ein heller Röntgenstrahl, der vom Pulsar in Richtung seines „Handgelenks“ am unteren Bildrand ausgeht. Die neuen IXPE-Daten zeigen, dass der Polarisationsgrad zu Beginn des Jets sehr gering ist. Dies könnte daran liegen, dass es sich hierbei um eine turbulente Region mit komplexen Magnetfeldern handelt, die mit der Produktion hochenergetischer Teilchen in Zusammenhang stehen. Gegen Ende des Strahls scheinen sich die magnetischen Feldlinien zu begradigen und gleichmäßiger zu werden, wodurch die Polarisation stärker wird.

Röntgen: NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE)Infrarot: NASA/JPL-Caltech/DECaPSBildverarbeitung: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Teilchen in einer komplexen turbulenten Region in der Nähe des Pulsars an der Basis der „Handfläche“ einen Energieschub erhalten und entlang des „Handgelenks“, der „Finger“ und des „Daumens“ in Richtung von Bereichen mit gleichmäßigem Magnetfeld fließen.

„Wir haben die Lebensgeschichte ultraenergetischer Materie- und Antimaterieteilchen um Pulsare herum entdeckt“, sagte Co-Autor Niccolò Di Lalla von der Stanford University. „Dies gibt uns Einblicke, wie Pulsare als Teilchenbeschleuniger wirken können.“

IXPE hat auch ähnliche Magnetfelder in den Pulsarwindnebeln Vela und Krebs entdeckt, was bedeutet, dass sie in diesen Objekten überraschend häufig vorkommen könnten.

Die Ergebnisse wurden in einem neuen Artikel im Astrophysical Journal veröffentlicht.

IXPE ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und der italienischen Weltraumagentur mit Partnern und wissenschaftlichen Mitarbeitern aus 12 Ländern. IXPE wird vom Marshall Space Flight Center geleitet, die operativen Abläufe werden von Ball Aerospace mit Hauptsitz in Broomfield, Colorado, und dem Laboratory for Atmospheric and Space Physics der University of Colorado, Boulder, verwaltet.

Das Marshall Space Flight Center der NASA verwaltet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center des Smithsonian Astrophysical Observatory steuert die wissenschaftlichen Operationen in Cambridge, Massachusetts, und die Flugoperationen in Burlington, Massachusetts.