Röntgenvisie en gepolariseerde bril verenigen zich om mysteries van het universum te ontdekken – leerzame momenten

Een NASA-ruimtetelescoopmissie geeft astronomen een geheel nieuwe manier om in het universum te kijken, waardoor we lang bestaande mysteries rond objecten zoals zwarte gaten kunnen ontdekken. Ontdek hoe het werkt en hoe je leerlingen kunt betrekken bij de wetenschap achter de missie.


Enkele van de wildste, meest opwindende kenmerken van ons universum – van zwarte gaten tot neutronensterren – blijven voor ons een mysterie. Wat we wel weten, is dat sommige van deze, vanwege hun extreme omgeving, zeer energetisch röntgenlicht uitstralen, dat we kunnen detecteren ondanks de enorme afstanden tussen ons en de bron.

Nu gebruikt een NASA-ruimtetelescoopmissie nieuwe technieken om niet alleen deze verre fenomenen te verkennen, maar ook nieuwe informatie te verschaffen over hun oorsprong. Lees verder om erachter te komen hoe wetenschappers opwindende nieuwe perspectieven op ons universum krijgen en wat de toekomst van röntgenastronomie inhoudt.

Hoe ze het deden

In 2021 lanceerde NASA de Imaging X-Ray Polarimeter Explorer, of IXPE, via een samenwerking met Ball Aerospace en het Italiaanse ruimteagentschap. De ruimtetelescoop is ontworpen om twee jaar te werken en röntgenstralen te detecteren die worden uitgezonden door zeer energetische objecten in de ruimte, zoals zwarte gaten, verschillende soorten neutronensterren (bijvoorbeeld pulsars en magnetars) en actieve galactische kernen. In het eerste jaar concentreert de telescoop zich op ongeveer een dozijn eerder bestudeerde röntgenbronnen, waarbij hij uren of zelfs dagen besteedt aan het observeren van elk doelwit om nieuwe gegevens te onthullen die mogelijk zijn gemaakt door de wetenschappelijke instrumenten van ruimtevaartuigen.

IXPE is niet de eerste telescoop die het heelal waarneemt in röntgenlicht. NASA’s Chandra X-ray Observatory, gelanceerd in 1999, heeft de beroemde meer dan 20 jaar besteed aan het fotograferen van ons universum bij een golflengte van licht die uitsluitend wordt aangetroffen in omgevingen met hoge energie, zoals waar kosmische materialen worden verwarmd tot miljoenen graden als gevolg van intense magnetische velden of extreme zwaartekracht.

Met Chandra kunnen wetenschappers kleuren toewijzen aan de verschillende energieniveaus of golflengten die door deze omgevingen worden geproduceerd. Dit stelt ons in staat een beeld te krijgen van het zeer energetische licht dat wordt uitgestoten door zwarte gaten en kleine neutronensterren – kleine, maar extreem dichte sterren met een massa van 10-25 keer die van onze zon. Deze prachtige beelden, zoals van Chandra’s eerste doelwit, Cassiopeia A (kortweg Cas A), tonen de gewelddadige schoonheid van exploderende sterren.

Een blauwe halo van kronkelende lijnen omringt een explosie van kleuren die zich vanuit het centrum van de supernova uitstrekken.  Het dichtst bij het centrum is een cirkelvormige oranje spetter omringd door groen en geel en tenslotte een wazig paars.

Deze afbeelding van de supernova Cassiopeia A van NASA’s Chandra X-ray Observatory toont de locatie van verschillende elementen in de overblijfselen van de explosie: silicium (rood), zwavel (geel), calcium (groen) en ijzer (paars). Elk van deze elementen produceert röntgenstralen binnen nauwe energiebereiken, waardoor kaarten van hun locatie kunnen worden gemaakt. Afbeelding tegoed: NASA/CXC/SAO | › Volledige afbeelding en bijschrift

Hoewel Chandra zijn naam heeft verdiend als een van „The Great Observatories“, hebben astronomen er al lang naar verlangd om verder te kijken in zeer energetische omgevingen in de ruimte door ze nog gedetailleerder vast te leggen.

IXPE breidt Chandra’s werk uit met de introductie van een hulpmiddel dat een polarimeter wordt genoemd, een instrument dat wordt gebruikt om de vorm en richting te begrijpen van het licht dat de detectoren van de ruimtetelescoop bereikt. De polarimeter op IXPE stelt wetenschappers in staat inzicht te krijgen in de fijnere details van zwarte gaten, supernova’s en magnetars, zoals in welke richting ze draaien en hun driedimensionale vorm.

Een blauwe halo van kronkelende lijnen omringt een donzige donutvormige waas van magenta met overal blauwe en witte spetters.

Deze afbeelding van Cassiopeia A is gemaakt met behulp van enkele van de eerste röntgengegevens die door IXPE zijn verzameld, weergegeven in magenta, gecombineerd met hoogenergetische röntgengegevens van Chandra, in blauw. Afbeelding tegoed: NASA/CXC/SAO/IXPE | › Volledige afbeelding en bijschrift

Terwijl wetenschappers net zijn begonnen de mogelijkheden van IXPE te gebruiken, beginnen ze al nieuwe details te onthullen over de innerlijke werking van deze objecten – zoals de magnetische veldomgeving rond Cas A, getoond in een onlangs vrijgegeven afbeelding.

Het overblijfsel van de supernova wordt weergegeven als een blauwe klodder met wervelingen van helderder blauw en grote witte spetters.  Stippellijnen bovenop het beeld vloeien vanuit het midden naar buiten.  Door de supernova en lijnen in kwart secties van een cirkel te verdelen, heeft het gedeelte rechtsboven lijnen die direct naar het noordoosten stromen.  Het gedeelte rechtsonder heeft lijnen die bijna naar het zuidoosten stromen, maar licht naar het noorden afbuigen. Het gedeelte linksonder heeft lijnen die recht omhoog stromen vanaf de onderrand van de supernova, rond het midden buigen en dan weer naar beneden stromen.  En het gedeelte linksboven heeft lijnen die vanuit het centrum direct naar het westen stromen, andere die rond het centrum buigen en diagonaal naar het noordwesten stromen en andere die van het centrum naar het noorden stromen.  Kleine delen van de lijnen zijn groen gemarkeerd bij de 1 uur, 2 uur, 4 uur, 7 uur en 11 uur gedeelten van de supernova.

De lijnen in deze pas vrijgegeven afbeelding zijn afkomstig van IXPE-metingen die de richting van het magnetische veld over gebieden van Cassiopeia A laten zien. Groene lijnen geven gebieden aan waar de metingen het meest significant zijn. Deze resultaten geven aan dat de magnetische veldlijnen nabij de rand van de supernovarest grotendeels radiaal georiënteerd zijn, dwz in een richting vanaf het centrum van de restant naar buiten. De IXPE-waarnemingen laten ook zien dat het magnetische veld boven kleine regio’s sterk verward is, zonder een dominante voorkeursrichting. Waarnemingen zoals deze kunnen wetenschappers helpen te leren hoe deeltjes die uit supernova’s schieten interageren met het magnetische veld dat door de explosie wordt gecreëerd. Afbeeldingscredits: Röntgenfoto: Chandra: NASA/CXC/SAO; IXPE: NASA/MSFC/J. Vink et al. | + Afbeelding uitvouwen | › Volledige afbeelding en bijschrift

„Voor de eerste keer zullen we elk verzameld foton van licht gebruiken om ons te vertellen over de aard en vormen van objecten in de lucht die anders lichtpuntjes zouden zijn“, zegt Roger Romani, een Stanford-professor en mede-onderzoeker van IXPE .

Hoe het werkt

Wanneer licht wordt geproduceerd, is het over het algemeen wat we ongepolariseerd noemen, wat betekent dat het in alle richtingen oscilleert. Onze zon produceert bijvoorbeeld ongepolariseerd licht. Maar soms wordt licht op een zeer georganiseerde manier geproduceerd, waarbij het slechts in één richting oscilleert. In de astronomie ontstaat dit wanneer magnetische velden deeltjes tot ongelooflijk hoge snelheden dwingen, waardoor zeer georganiseerd of gepolariseerd licht ontstaat.

Dit is wat objecten als de supernova Cas A zo’n verleidelijke doelen maakt voor IXPE. Geëxplodeerde sterren zoals Cas A genereren enorme energetische golven wanneer ze supernova worden, waardoor wetenschappers een beeld krijgen van hoe deeltjes die met enorme snelheden wegschieten, interageren met de magnetische velden van een dergelijke gebeurtenis. In het geval van Cas A kon IXPE vaststellen dat de röntgenstralen niet erg gepolariseerd zijn, wat betekent dat de explosie zeer turbulente gebieden met meerdere veldrichtingen heeft gecreëerd.

Hoewel het idee van gepolariseerd of georganiseerd licht misschien abstract klinkt, is het je misschien opgevallen de laatste keer dat je op een zonnige dag buiten was. Als je een gepolariseerde zonnebril hebt geprobeerd, is het je misschien opgevallen dat de schittering sterk is verminderd. Dat komt omdat als licht verstrooid wordt, het in alle richtingen weerkaatst op reflecterende oppervlakken. Gepolariseerde lenzen hebben echter kleine filters die alleen licht doorlaten dat uit een smalle band van richtingen komt.

De polarimeter op IXPE werkt op een vergelijkbare manier. Astronomen kunnen de sterkte van het magnetische veld van een object bepalen door de polarimeter te gebruiken om te meten hoeveel van het door de telescoop gedetecteerde licht gepolariseerd is. Typisch, hoe meer gepolariseerd het licht, hoe sterker het magnetische veld bij de bron.

Astronomen kunnen zelfs een stap verder gaan om de richting waarin dit licht oscilleert te meten door de hoek te meten van het licht dat de telescoop bereikt. Omdat het gepolariseerde licht de bron op een voorspelbare manier verlaat – namelijk loodrecht op zijn magnetische veld – geeft het kennen van de hoek van het oscillerende licht informatie over de rotatie-as en mogelijk zelfs de oppervlaktestructuur van objecten zoals neutronensterren en nevels.

Zij aan zij animaties met een touw dat heen en weer beweegt door een open raam en een touw dat op en neer beweegt door een open raam.  Naarmate het raam sluit, komen minder van de golven in het touw die op en neer bewegen door het raam, terwijl het touw dat van links naar rechts beweegt ongestoord is.

In deze demonstratie stelt het touw lichtgolven voor en het open raam een ​​polarimeter. Afhankelijk van de hoek van de lichtgolven (touw), komt meer of minder informatie door de polarimeter (venster) hoe smaller deze is. Door de hoeveelheid licht te meten die door de polarimeter wordt ontvangen, kan IXPE de hoek en de polarisatie van het licht bepalen. Afbeelding tegoed: NASA/JPL-Caltech | + Afbeelding uitvouwen

Stel je bijvoorbeeld voor dat je het ene uiteinde van een stuk touw vasthoudt aan een object aan het andere uiteinde. Als je het touw heen en weer zou zwaaien om horizontale golven te maken, zouden die golven door een smal doel zoals een raam kunnen komen. Als je het raam van bovenaf begon te sluiten en de opening vernauwde, zouden de golven mogelijk nog steeds door de opening kunnen komen. Als je echter verticale golven maakt door het touw op en neer te zwaaien, terwijl het raam sluit, zouden er steeds minder golven door de opening komen. Evenzo kan IXPE, door het licht te meten dat door de polarimeter naar de detector aan de andere kant gaat, de hoek van het ontvangen licht bepalen.

Om dit licht op te vangen, gebruikt IXPE drie identieke spiegels aan het einde van een vier meter lange giek. Het door IXPE ontvangen licht wordt zorgvuldig gefocust op de polarimeter van het ruimtevaartuig aan het andere uiteinde van de giek, waardoor wetenschappers die cruciale metingen kunnen verzamelen.

Tijdens de IXPE-lanceringsuitzending bespreken commentatoren de componenten van het ruimtevaartuig en hoe het polarisatie meet. | Kijk op YouTube

Waarom het belangrijk is

Voortbouwend op Chandra’s observaties van de afgelopen twee decennia, trekt IXPE’s nieuwe benadering van röntgenwetenschap het gordijn nog verder terug voor enkele van de meest fascinerende objecten in het universum, door een eerste blik te werpen op hoe en waar straling wordt geproduceerd in sommige van de de meest extreme omgevingen in het universum. IXPE’s metingen van Cas A zijn nog maar het begin, met nog meer mysterieuze doelen die klaar staan ​​om ontdekt te worden.

Neem het van Martin Weisskopf, de hoofdwetenschapper van IXPE en projectwetenschapper voor Chandra, die zijn 50-jarige carrière in de röntgenastronomie heeft gewerkt, die zegt: „IXPE zal het veld openen op manieren waarop we theoretiseren over.“

leer het

Ontdek meer over hoe NASA licht gebruikt om ons universum in kaart te brengen, en graaf dieper in enkele van de hemellichamen die het toelaat om te bestuderen, zoals zwarte gaten en neutronensterren.

Activiteiten

Bronnen voor docenten

Meer ontdekken


NASA’s Universe of Learning-materialen zijn gebaseerd op werk ondersteund door NASA onder toekenningsnummer NNX16AC65A aan het Space Telescope Science Institute, in samenwerking met Caltech/IPAC, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian en het Jet Propulsion Laboratory.

TAGS: Heelal, Sterren en Melkwegstelsels, Ruimtetelescoop, IXPE, Astronomie, Wetenschap, Elektromagnetisch spectrum

  • Brandon Rodriguez

.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert