Röntgenteleskope der NASA enthüllen die „Knochen“ einer geisterhaften kosmischen Hand

Im Jahr 1895 entdeckte Wilhelm Röntgen Röntgenstrahlen und nutzte sie, um die Knochen in der Hand seiner Frau abzubilden, und brachte damit ein revolutionäres Diagnosegerät für die Medizin auf den Markt. Jetzt haben zwei Röntgen-Weltraumteleskope der NASA ihre Bildgebungskapazitäten gebündelt, um die Magnetfeld-„Knochen“ einer bemerkenswerten handförmigen Struktur im Weltraum freizulegen. Zusammen enthüllen diese Teleskope das Verhalten eines toten kollabierten Sterns, der durch Partikelwolken aus energiereicher Materie und Antimaterie weiterlebt.

Vor etwa 1.500 Jahren ging einem Riesenstern in unserer Galaxie der Kernbrennstoff zum Brennen aus. Als dies geschah, kollabierte der Stern in sich selbst und bildete ein extrem dichtes Objekt namens Neutronenstern.

Rotierende Neutronensterne mit starken Magnetfeldern oder Pulsare bieten Laboratorien für extreme Physik unter Bedingungen, die auf der Erde nicht reproduziert werden können. Junge Pulsare können Jets aus Materie und Antimaterie erzeugen, die sich zusammen mit einem starken Wind von den Polen des Pulsars wegbewegen und einen „Pulsarwindnebel“ bilden.

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

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

„Die IXPE-Daten liefern uns die erste Karte des Magnetfelds 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 Magnetfelds und bestimmen die Grundform des Nebels, wie es die Knochen in der Hand eines Menschen tun.“

IXPE liefert Informationen über die elektrische Feldausrichtung von Röntgenstrahlen, die durch das Magnetfeld der Röntgenquelle bestimmt wird. Dies wird als Röntgenpolarisation bezeichnet. In großen Regionen von MSH 15–52 ist das Ausmaß der Polarisation bemerkenswert hoch und erreicht den maximalen Wert, der aus theoretischen Arbeiten erwartet wird. Um diese Stärke zu erreichen, muss das Magnetfeld sehr gerade und gleichmäßig sein, was bedeutet, dass es in diesen Regionen des Pulsarwindnebels nur wenige Turbulenzen gibt.

„Wir alle kennen Röntgenstrahlen als diagnostisches medizinisches Hilfsmittel für den Menschen“, sagte Co-Autorin Josephine Wong, ebenfalls aus Stanford. „Hier nutzen wir Röntgenstrahlen auf andere Weise, aber sie offenbaren erneut Informationen, die uns sonst verborgen bleiben.“

Ein besonders interessantes Merkmal von MSH 15-52 ist ein heller Röntgenstrahl, der vom Pulsar auf das „Handgelenk“ am unteren Bildrand gerichtet ist. Die neuen IXPE-Daten zeigen, dass die Polarisation am Anfang des Strahls gering ist, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass es sich um eine turbulente Region mit komplexen, verworrenen Magnetfeldern handelt, die mit der Erzeugung hochenergetischer Teilchen verbunden sind. Am Ende des Strahls scheinen sich die magnetischen Feldlinien zu begradigen und viel gleichmäßiger zu werden, wodurch die Polarisation viel größer wird.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Partikel in komplexen turbulenten Regionen in der Nähe des Pulsars an der Basis der Handfläche einen Energieschub erhalten und entlang des Handgelenks, der Finger und des Daumens zu Bereichen fließen, in denen das Magnetfeld gleichmäßig ist.

„Wir haben die Lebensgeschichte superenergetischer Materie- und Antimaterieteilchen rund um den Pulsar aufgedeckt“, sagte Co-Autor Niccolò Di Lalla, ebenfalls aus Stanford. „Dadurch erfahren wir, wie Pulsare als Teilchenbeschleuniger wirken können.“

IXPE hat auch ähnliche Magnetfelder für die Pulsarwindnebel Vela und Crab entdeckt, was darauf hindeutet, dass sie in diesen Objekten überraschend häufig vorkommen könnten.

Diese Ergebnisse werden in a veröffentlicht neues Papier In Das Astrophysikalische Journal.