NASA X-ray-Teleskope enthüllen die 'Knochen' einer geisterhaften kosmischen Hand.

30. Oktober 2023

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von Beth Ridgeway, NASA

Im Jahr 1895 entdeckte Wilhelm Röntgen Röntgenstrahlen und benutzte sie, um die Knochen in der Hand seiner Frau abzubilden. Damit begann ein revolutionäres diagnostisches Werkzeug für die Medizin. Jetzt haben zwei Röntgen-Raumteleskope der NASA ihre Bildgebungskräfte kombiniert, um die magnetischen "Knochen" einer bemerkenswerten handförmigen Struktur im Weltraum zu enthüllen. Zusammen enthüllen diese Teleskope das Verhalten eines toten kollabierten Sterns, der durch Strahlen von energiegeladenem Materie- und Antimaterie-Teilchen weiterlebt.

Vor etwa 1.500 Jahren verbrauchte ein riesiger Stern in unserer Galaxie seinen nuklearen Brennstoff. Als dies geschah, kollabierte der Stern auf sich selbst und bildete ein extrem dichtes Objekt namens Neutronenstern.

Rotierende Neutronensterne mit starken magnetischen Feldern, oder Pulsare, bieten Labore für extreme Physik, mit Bedingungen, die auf der Erde nicht repliziert werden können. Junge Pulsare können Jets von Materie und Antimaterie erzeugen, die sich von den Polen des Pulsars entfernen, zusammen mit einem intensiven Wind, der eine "Pulsarwindnebel" bildet.

Im Jahr 2001 beobachtete das Chandra Röntgen-Observatorium der NASA den Pulsar PSR B1509-58 und enthüllte, dass sein Pulsarwindnebel (auch als MSH 15-52 bezeichnet) einer menschlichen Hand ähnelt. Der Pulsar befindet sich an der Basis der "Handfläche" des Nebels. MSH 15-52 befindet sich 16.000 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Jetzt hat das neueste Röntgenteleskop der NASA, der Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), MSH 15-52 etwa 17 Tage lang beobachtet, so lange wie bei keinem anderen Objekt seit dem Start im Dezember 2021.

"Die IXPE-Daten geben uns die erste Karte des magnetischen Feldes in der 'Hand'", sagte Roger Romani von der Stanford University in Kalifornien, der die Studie leitete. "Die geladenen Teilchen, die die Röntgenstrahlen erzeugen, bewegen sich entlang des magnetischen Feldes und bestimmen die grundlegende Form des Nebels, wie es die Knochen in einer menschlichen Hand tun."

IXPE liefert Informationen über die Ausrichtung des elektrischen Feldes von Röntgenstrahlen, die durch das magnetische Feld der Röntgenquelle bestimmt wird. Dies wird als Röntgenpolarisation bezeichnet. In großen Teilen von MSH 15-52 ist die Polarisation bemerkenswert hoch und erreicht das maximale erwartete Niveau laut theoretischer Arbeit. Um diese Stärke zu erreichen, muss das Magnetfeld sehr gerade und gleichmäßig sein, was bedeutet, dass es in diesen Regionen des Pulsarwindnebels wenig Turbulenz gibt.

"Wir sind alle mit Röntgenstrahlen als diagnostisches medizinisches Werkzeug für Menschen vertraut", sagte Mitautorin Josephine Wong ebenfalls von Stanford. "Hier verwenden wir Röntgenstrahlen auf eine andere Weise, aber sie enthüllen uns wieder Informationen, die uns sonst verborgen bleiben."

Ein besonders interessantes Merkmal von MSH 15-52 ist ein heller Röntgenstrahl, der vom Pulsar zum "Handgelenk" am unteren Rand des Bildes gerichtet ist. Die neuen IXPE-Daten zeigen, dass die Polarisation am Anfang des Strahls gering ist, wahrscheinlich weil es sich um eine turbulente Region mit komplexen, verworrenen magnetischen Feldern handelt, die mit der Erzeugung von hochenergetischen Teilchen zusammenhängen. Am Ende des Strahls scheinen sich die Magnetfeldlinien zu glätten und viel gleichmäßiger zu werden, was zu einer viel größeren Polarisation führt.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Teilchen in komplexen, turbulenten Regionen in der Nähe des Pulsars an der Basis der Hand mit Energie versorgt werden und in Bereiche fließen, in denen das Magnetfeld entlang des Handgelenks, der Finger und des Daumens gleichmäßig ist.

"Wir haben die Lebensgeschichte von hochenergetischen Materie- und Antimaterieteilchen um den Pulsar herum aufgedeckt", sagte Mitautor Niccolò Di Lalla ebenfalls von Stanford. "Das lehrt uns, wie Pulsare als Teilchenbeschleuniger wirken können."

IXPE hat auch ähnliche magnetische Felder für die Vela- und Krebspulsarwindnebel entdeckt, was darauf hindeutet, dass sie in diesen Objekten überraschend häufig sein können.

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

Journal-Information: Astrophysical Journal

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