NuSTAR der NASA macht aufschlussreiche Entdeckungen mit „störendem“ Licht

Seit fast 10 Jahren untersucht das Röntgen-Weltraumobservatorium NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) der NASA einige der energiereichsten Objekte im Universum, wie kollidierende tote Sterne und riesige schwarze Löcher, die sich an heißem Gas ergötzen. Während dieser Zeit mussten sich die Wissenschaftler mit Streulicht auseinandersetzen, das durch die Seiten des Observatoriums eindrang und die Beobachtungen stören kann, ähnlich wie Außengeräusche einen Telefonanruf übertönen können.

Aber jetzt haben die Teammitglieder herausgefunden, wie man dieses Streuröntgenlicht nutzt, um etwas über Objekte im peripheren Sichtfeld von NuSTAR zu lernen und gleichzeitig normale gezielte Beobachtungen durchzuführen. Diese Entwicklung hat das Potenzial, die Erkenntnisse, die NuSTAR liefert, zu vervielfachen. Ein neues Wissenschaftspapier in Das Astrophysikalische Journal beschreibt die erste Verwendung der Streulichtbeobachtungen von NuSTAR, um mehr über ein kosmisches Objekt zu erfahren – in diesem Fall einen Neutronenstern.

Materialklumpen, die nach dem Kollaps eines Sterns übrig bleiben, Neutronensterne gehören zu den dichtesten Objekten im Universum, gleich nach Schwarzen Löchern. Ihre starken Magnetfelder fangen Gaspartikel ein und leiten sie zur Oberfläche des Neutronensterns. Wenn die Partikel beschleunigt und energetisiert werden, setzen sie hochenergetische Röntgenstrahlen frei, die NuSTAR erkennen kann.

Die neue Studie beschreibt ein System namens SMC X-1, das aus einem Neutronenstern besteht, der einen lebenden Stern in einer von zwei kleinen Galaxien umkreist, die die Milchstraße (die Heimatgalaxie der Erde) umkreisen. Die Helligkeit der Röntgenstrahlung von SMC X-1 scheint stark zu variieren, wenn sie von Teleskopen betrachtet wird, aber jahrzehntelange direkte Beobachtungen von NuSTAR und anderen Teleskopen haben ein Muster der Schwankungen offenbart. Wissenschaftler haben mehrere Gründe ausfindig gemacht, warum SMC X-1 seine Helligkeit ändert, wenn es von Röntgenteleskopen untersucht wird. Beispielsweise nimmt die Helligkeit der Röntgenstrahlen ab, wenn der Neutronenstern bei jeder Umlaufbahn hinter den lebenden Stern eintaucht. Laut der Zeitung waren die Streulichtdaten empfindlich genug, um einige dieser gut dokumentierten Änderungen aufzuspüren.

„Ich denke, dieses Papier zeigt, dass dieser Streulichtansatz zuverlässig ist, weil wir Helligkeitsschwankungen im Neutronenstern in SMC X-1 beobachtet haben, die wir bereits durch direkte Beobachtungen bestätigt haben“, sagte McKinley Brumback, Astrophysiker am Caltech in Pasadena, Kalifornien , und Hauptautor der neuen Studie. „In Zukunft wäre es großartig, wenn wir die Streulichtdaten verwenden könnten, um Objekte zu betrachten, von denen wir noch nicht wissen, ob sie sich regelmäßig in ihrer Helligkeit ändern, und diesen Ansatz möglicherweise nutzen könnten, um Änderungen zu erkennen.“

Form und Funktion

Der neue Ansatz ist aufgrund der Form von NuSTAR möglich, die einer Hantel oder einem Hundeknochen ähnelt: Es hat zwei sperrige Komponenten an jedem Ende einer schmalen, 33 Fuß langen (10 Meter langen) Struktur, die als ausfahrbarer Mast bezeichnet wird Boom. Typischerweise richten Forscher eines der sperrigen Enden – das die Optik oder die Hardware enthält, die Röntgenstrahlen sammelt – auf das Objekt, das sie untersuchen möchten. Das Licht wandert entlang des Auslegers zu den Detektoren, die sich am anderen Ende des Raumfahrzeugs befinden. Der Abstand zwischen den beiden ist notwendig, um das Licht zu fokussieren.

Aber auch Streulicht erreicht die Detektoren, indem es durch die Seiten des Auslegers eintritt und die Optik umgeht. Es erscheint im Sichtfeld von NuSTAR zusammen mit Licht von jedem Objekt, das das Teleskop direkt beobachtet, und ist oft ziemlich einfach mit dem Auge zu erkennen: Es bildet einen Kreis aus schwachem Licht, das von den Seiten des Bildes austritt. (Es überrascht nicht, dass Streulicht ein Problem für viele andere weltraum- und bodengestützte Teleskope ist.)

Eine Gruppe von NuSTAR-Teammitgliedern hat die letzten Jahre damit verbracht, das Streulicht von verschiedenen NuSTAR-Beobachtungen zu trennen. Nachdem sie helle, bekannte Röntgenquellen in der Umgebung jeder Beobachtung identifiziert hatten, verwendeten sie Computermodelle, um vorherzusagen, wie viel Streulicht erscheinen sollte, basierend darauf, welches helle Objekt sich in der Nähe befand. Sie untersuchten auch fast jede NuSTAR-Beobachtung, um das verräterische Zeichen von Streulicht zu bestätigen. Das Team erstellte einen Katalog von etwa 80 Objekten, für die NuSTAR Streulichtbeobachtungen gesammelt hatte, und nannte die Sammlung „StrayCats“.

„Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem ruhigen Kino, sehen sich ein Drama an und hören die Explosionen im Actionfilm, der nebenan läuft“, sagte Brian Grefenstette, leitender Forschungswissenschaftler am Caltech und Mitglied des NuSTAR-Teams, das die StrayCats-Arbeit leitet. „In der Vergangenheit war das Streulicht so – eine Ablenkung von dem, worauf wir uns zu konzentrieren versuchten. Jetzt haben wir die Werkzeuge, um dieses zusätzliche Rauschen in nützliche Daten umzuwandeln, was eine völlig neue Art der Verwendung von NuSTAR zur Erforschung des Universums eröffnet .“

Natürlich können die Streulichtdaten direkte Beobachtungen durch NuSTAR nicht ersetzen. Abgesehen davon, dass Streulicht unfokussiert ist, sind viele Objekte, die NuSTAR direkt beobachten kann, zu schwach, um im Streulichtkatalog zu erscheinen. Aber Grefenstette sagte, mehrere Caltech-Studenten hätten die Daten durchkämmt und Fälle von schneller Aufhellung von peripheren Objekten gefunden, die eine beliebige Anzahl dramatischer Ereignisse sein könnten, wie etwa thermonukleare Explosionen auf den Oberflächen von Neutronensternen. Die Beobachtung der Häufigkeit und Intensität der Helligkeitsänderungen eines Neutronensterns kann Wissenschaftlern dabei helfen, zu entschlüsseln, was mit diesen Objekten passiert.

„Wenn Sie versuchen, nach einem Muster im Langzeitverhalten oder der Helligkeit einer Röntgenquelle zu suchen, könnten die Streulichtbeobachtungen eine großartige Möglichkeit sein, häufiger nachzuschauen und eine Basislinie festzulegen“, sagte Renee Ludlam, Einstein-Stipendiat des NASA-Hubble-Fellowship-Programms am Caltech und Mitglied des StrayCats-Teams. „Sie könnten uns auch seltsame Verhaltensweisen in diesen Objekten erkennen lassen, wenn wir sie nicht erwarten oder wenn wir normalerweise nicht in der Lage wären, NuSTAR direkt auf sie zu richten. Die Streulichtbeobachtungen ersetzen keine direkten Beobachtungen, aber mehr Daten sind es immer gut.“