De mysterieuze spookhand ontdekt door röntgentelescopen van NASA

NASAIXPE’s Chandra- en IXPE-telescopen onthullen de magnetische “botten” van de “hand”-vorm. Pulsar De Windnevel, MSH 15-52, biedt baanbrekende inzichten in röntgenpolarisatie en magnetische velddynamiek.

• Gegevens van Chandra en IXPE werden gebruikt om de pulserende windnevel, bekend als MSH 15-52, te onderzoeken.
• Pulsarwindnevels zijn wolken van energetische deeltjes die wegschieten van dode en instortende sterren.
• De MSH 15-52 staat bekend om zijn vorm die lijkt op een menselijke hand.
• IXPE observeerde het gedurende ongeveer 17 dagen observatietijd, de langste blik op een enkel object tot nu toe voor deze missie.

Het wonder van pulsars

Roterende neutronensterren met sterke magnetische velden, of pulsars, fungeren als laboratoria voor extreme natuurkunde en zorgen voor omstandigheden van hoge energie die op aarde niet kunnen worden nagebootst. Jonge pulsars kunnen jets van materie en antimaterie creëren die, samen met intense wind, van de polen van de pulsar weg bewegen en zo een ‘pulsarwindnevel’ vormen.

Ontdekking van de “hand in de ruimte”

In 2001 observeerde NASA’s Chandra X-ray Observatory voor het eerst de pulsar PSR B1509-58 en onthulde dat de windnevel van de pulsar (ook wel MSH 15-52 genoemd) op een menselijke hand leek. De pulsar bevindt zich aan de voet van de ‘palm’ van de nevel. Nu zijn Chandra’s gegevens over MSH 15-52 gecombineerd met gegevens van NASA’s nieuwste röntgentelescoop, de X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), om de “botten” van het magnetische veld van deze fascinerende structuur te onthullen. IXPE staarde 17 dagen naar MSH 15-52, het langste dat ze naar welk object dan ook hebben gekeken sinds de lancering in december 2021.

Dit is een weergave van MSH 15-52 vanuit de Chandra-röntgenobservatie. Het omvat niet de IXPE-röntgen- en infraroodwaarnemingen die zijn opgenomen in de samengestelde afbeelding bovenaan het artikel. Afbeelding tegoed: röntgenfoto: NASA/CXC/Stanford University./R. Romeins et al. (Chandra); Beeldverwerking: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

Interpretatie van het samengestelde beeld

In een nieuw samengesteld beeld worden Chandra-gegevens weergegeven in oranje (laagenergetische röntgenstralen), groen en blauw (hoogenergetische röntgenstralen), terwijl diffuus paars IXPE-waarnemingen vertegenwoordigt. De pulsar bevindt zich in het heldere gebied aan de basis van de handpalm en de vingers wijzen naar energiezuinige röntgenwolken in de omringende overblijfselen van de supernova die de pulsar vormde. De afbeelding bevat ook infraroodgegevens van de Red and Blue Data Release 2 Dark Energy Plane Survey (DECaPS2).

De eerste medische röntgenfoto uitgevoerd door Wilhelm Röntgen van de hand van zijn vrouw Anna Bertha Ludwig. Credit: Wilhelm Röntgen

Röntgenpolarisatie en magnetische kaart

IXPE-gegevens bieden de eerste kaart van het magnetische veld in een ‘hand’. Het onthult informatie over de richting van het elektrische röntgenveld, bepaald door het magnetische veld van de röntgenbron. Dit wordt “röntgenpolarisatie” genoemd.

Een extra röntgenfoto (hieronder) toont een kaart van het magnetische veld op MSH 15-52. In deze afbeelding vertegenwoordigen korte rechte lijnen IXPE-polarisatiemetingen, die de richting van het lokale magnetische veld in kaart brengen. Oranje “balken” geven de meest nauwkeurige metingen aan, gevolgd door cyaan en blauwe balken met minder nauwkeurige metingen. Complexe veldlijnen traceren de ‘pols’, ‘palm’ en ‘vingers’ van de hand, wat misschien helpt om uitgestrekte vingerachtige structuren te identificeren.

Kaart van het magnetische veld op MSH 15-52. De lijnen vertegenwoordigen IXPE-polarisatiemetingen, waarbij de richting van het lokale magnetische veld in kaart wordt gebracht. De lengte van de balken geeft de mate van polarisatie aan. Afbeelding tegoed: röntgenfoto: NASA/CXC/Stanford University./R. Romeins et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE); Infrarood: NASA/JPL-Caltech/DECaPS; Beeldverwerking: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

Magnetisch veld en polarisatie

De mate van polarisatie, aangegeven door de lengte van de band, is opmerkelijk hoog en bereikt het maximum dat op basis van theoretisch werk wordt verwacht. Om deze sterkte te bereiken moet het magnetische veld zeer recht en uniform zijn, wat betekent dat er weinig turbulentie is in die gebieden van de pulsarwindnevel.

Een bijzonder interessant kenmerk van MSH 15-52 is de heldere röntgenstraal die vanuit de pulsar in de “pols” onder aan de afbeelding wordt gericht. Uit de nieuwe IXPE-gegevens blijkt dat de polarisatie aan het begin van de stroming laag is, waarschijnlijk omdat dit een turbulent gebied is met complexe, verstrengelde magnetische velden die verband houden met de generatie van hoogenergetische deeltjes. Tegen het einde van de straal lijken de magnetische veldlijnen recht te worden en regelmatiger te worden, waardoor de polarisatie veel groter wordt.

Een artikel waarin deze bevindingen worden beschreven, is gepubliceerd door Roger Romani van Stanford University en zijn medewerkers de Astrofysisch tijdschrift Op 23 oktober 2023.

Referentie: “De kosmische polariserende hand: IXPE-waarnemingen van PSR B1509−58/MSH 15−52” door Roger W. Romani, Josephine Wong, Nicola Di Lalla, Nicola Omudi, Fei Shih, C.-Y. Ng, Riccardo Ferrazzoli, Alessandro De Marco, Niccolò Pocciantini, Maura Biglia, Patrick Slane, Martin C. Weiskopf, Simon Johnston, Marta Burgay, Ding Wei, Yijun Yang, Shuming Zhang, Lucio A. Antonelli, Matteo Bacchetti, Luca Baldini, Wayne H. Baumgartner, Ronaldo Bellazzini, Stefano Bianchi, Stephen D. Bongiorno, Raffaella Bonino, Alessandro Brez, Fiamma Capitano, Simone Castellano, Elisabetta Cavazotti, Shen Ting Chen, Niccolò Cebrario, Stefano Ciprini, Enrico Costa, Alessandra De Rosa, Ettore del Monte, Laura De Gesu, Immacolata Donnarumma, Viktor Doroshenko, Michal Dovciak , Steven R. Eilert, Teruaki Enotto, Yuri Evangelista, Sergio Fabiani, Javier A. Garcia, Shoichi Junji, Kiyoshi Hayashida, Jeremy Hill, Wataru Iwakiri, Ioannis Leoudakis, Philip Kart, Vladimir Karas, Dawun E. Kim, Takao Kitaguchi, Jeffrey J. Kolodziejczak, Henryk Krawczynski, Fabio LaMonaca, Luca Latronico, Grzegorz Madejski, Simon Maldera , Alberto Manfreda, Frédéric Marin, Andrea Marinucci, Alan B. Marcher, Herman L. Marshall, Francesco Massaro, Giorgio Matte, Riccardo Medi, Ikuyuki Mitsuishi, Tsunefumi Mizuno, Fabio Moelleri, Michela Negro, Stephen L. Udell, Chiara Oppedesano, Luigi Pazziani, Alessandro Papetto, George G. Pavlov, Matteo Perry, Melissa Pace Rollins, Pierre-Olivier Petrucci, Andrea Possenti, Juri Potanin, Simonetta Boccetti, Brian D. Ramsey, John Rankin, Ajay Ratheesh, Oliver J. Roberts, Carmelo Sgro, Paolo Sovita, Gloria Spandri, Douglas A. Swartz, Toru Tamagawa, Fabrizio Tavecchio, Roberto Taverna, Yuzuru Tawara, Allen F. Tennant, Nicholas E. Thomas, Francesco Tompesi, Alessio Troa, Sergey Tsygankov, Roberto Torola, Jaco Fink, Kenoah Wu en Sylvia Zane, 23 oktober 2023, Astrofysisch tijdschrift.
doi: 10.3847/1538-4357/acfa02

IXPE is een samenwerking tussen NASA en de Italiaanse ruimtevaartorganisatie met wetenschappelijke partners en medewerkers in 12 landen. IXPE wordt geleid door NASA’s Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. Ball Aerospace, gevestigd in Broomfield, Colorado, beheert de operaties van ruimtevaartuigen in samenwerking met het University of Colorado Laboratory for Atmospheric and Space Physics in Boulder.

NASA’s Marshall Space Flight Center beheert het Chandra-programma. Het Chandra X-ray Center van het Smithsonian Astrophysical Observatory controleert de wetenschappelijke operaties vanuit Cambridge, Massachusetts, en de vluchtoperaties vanuit Burlington, Massachusetts.