Рентгеновские телескопы и магнитная «рука» в космосе

НАСАРентгеновские телескопы НАСА выявили магнитные «кости» космической структуры в форме руки, что позволило глубже понять поведение мертвых звезд и сильных магнитных полей, окружающих их.

В 1895 году Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи и использовал их для изображения костей руки своей жены, положив начало революционному диагностическому инструменту в медицине. Теперь два рентгеновских космических телескопа НАСА объединили свои возможности визуализации, чтобы выявить «кости» магнитного поля замечательной структуры в форме руки в космосе. Вместе эти телескопы показывают поведение мертвой, коллапсирующей звезды, живущей в шлейфах энергетической материи и частиц антиматерии.

Первый медицинский рентген, выполненный Вильгельмом Рентгеном руки его жены Анны Берты Людвиг. Кредит: Вильгельм Рентген.

Звездная трансформация

Около 1500 лет назад у гигантской звезды в нашей галактике закончилось ядерное топливо, которое можно было сжечь. Когда это произошло, звезда сжалась сама в себя и образовала чрезвычайно плотный объект, названный Нейтронная звезда.

Вращающиеся нейтронные звезды с сильными магнитными полями, или пульсары, представляют собой лаборатории для экстремальной физики с условиями, которые невозможно воспроизвести на Земле. Молодые пульсары могут создавать струи материи и антиматерии, удаляющиеся от полюсов планеты. Пульсарнаряду с сильными ветрами, образующими «пульсарную ветровую туманность».

Сходство туманности

В 2001 году рентгеновская обсерватория НАСА «Чандра» впервые наблюдала пульсар PSR B1509-58 и обнаружила, что туманность ветра пульсара (именуемая MSH 15-52) напоминает человеческую руку. Пульсар расположен у основания «ладони» туманности. MSH 15-52 расположена на расстоянии 16 000 световых лет от Земли.

Глубокие заметки IXPE

Теперь новейший рентгеновский телескоп НАСА, X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), наблюдал MSH 15-52 в течение примерно 17 дней, что является самым продолжительным периодом наблюдения за каким-либо отдельным объектом с момента его запуска в декабре 2021 года.

«Данные IXPE дают нам первую карту магнитного поля в руке», — сказал Роджер Романи из Стэнфордского университета в Калифорнии, который руководил исследованием. «Заряженные частицы, которые производят рентгеновские лучи, проходят через магнитное поле, определяя основную форму туманности, подобно костям в руке человека».

Это вид MSH 15-52, полученный рентгеновским телескопом «Чандра». Он не включает рентгеновские и инфракрасные наблюдения IXPE, включенные в составное изображение в верхней части статьи. Изображение предоставлено: Рентген: НАСА/CXC/Стэнфордский университет./Р. Роман и др. (Чандра); Обработка изображений: NASA/CXC/SAO/J. Шмидт

Информация о поляризации рентгеновских лучей

IXPE предоставляет информацию о направлении электрического поля рентгеновского излучения, которое определяется магнитным полем источника рентгеновского излучения. Это называется рентгеновской поляризацией. В больших областях MSH 15-52 степень поляризации чрезвычайно высока, достигая максимального уровня, ожидаемого в теоретических работах. Чтобы достичь такой силы, магнитное поле должно быть очень прямым и однородным, а это означает, что в этих областях ветровой туманности пульсара мало турбулентности.

«Мы все знакомы с рентгеновскими лучами как с медицинским диагностическим инструментом для людей», — сказала соавтор Жозефина Вонг, также из Стэнфордского университета. «Здесь мы используем рентгеновские лучи по-другому, но они снова раскрывают информацию, которая была от нас скрыта».

Магнитные поля и поведение частиц

Одной особенно интересной особенностью MSH 15-52 является яркая рентгеновская струя, направленная от пульсара в «запястье» в нижней части изображения. Новые данные IXPE показывают, что поляризация в начале потока низкая, вероятно, потому, что это турбулентная область со сложными запутанными магнитными полями, связанными с генерацией частиц высокой энергии. К концу струи линии магнитного поля выпрямляются и становятся более регулярными, в результате чего поляризация становится намного сильнее.

Карта магнитного поля на МШ 15-52. Линии представляют измерения поляризации IXPE, отображающие направление местного магнитного поля. Длина полосок указывает на степень поляризации. Изображение предоставлено: Рентген: НАСА/CXC/Стэнфордский университет./Р. Роман и др. (Чандра); НАСА/MSFC (IXPE); Инфракрасный: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калтех/DECaPS; Обработка изображений: NASA/CXC/SAO/J. Шмидт

Эти результаты показывают, что частицы получают прилив энергии в сложных турбулентных областях возле пульсара у основания ладони и текут в области, где магнитное поле однородно вдоль запястья, пальцев и большого пальца.

«Мы открыли историю жизни ультраэнергетической материи и частиц антиматерии вокруг пульсара», — сказал соавтор Николо Ди Лалла, также из Стэнфордского университета. «Это учит нас тому, как пульсары могут действовать как ускорители частиц».

Больше открытий и сотрудничества

IXPE также обнаружил подобные магнитные поля в ветровых туманностях Вела и Крабовидных пульсарах, а это означает, что они могут быть на удивление распространены в этих объектах.

Эти результаты опубликованы в новой статье в журнале тот Астрофизический журнал.

Дополнительную информацию об этом открытии можно найти в статье «Таинственная рука-призрак, обнаруженная рентгеновскими телескопами НАСА».

Ссылка: «Космическая поляризующая рука: наблюдения IXPE PSR B1509-58/MSH 15-52» Роджера В. Романи, Жозефины Вонг, Никола Ди Лалла, Никола Омуди, Фей Ши, К.-Ю. Нг, Риккардо Ферраццоли, Алессандро Де Марко, Никколо Поччантини, Маура Билья, Патрик Слейн, Мартин С. Вайскопф, Саймон Джонстон, Марта Бургей, Дин Вэй, Ицзюнь Ян, Шуминг Чжан, Лусио А. Антонелли, Маттео Баккетти, Лука Бальдини, Уэйн Х. Баумгартнер, Роналдо Беллаццини, Стефано Бьянки, Стивен Д. Бонджорно, Рафаэлла Бонино, Алессандро Брез, Фиамма Капитано, Симоне Кастеллано, Элизабетта Кавазотти, Шен Тинг Чен, Никколо Чебрарио, Стефано Чиприни, Энрико Коста, Алессандра Де Роса, Этторе дель Монте, Лаура Де Джезу, Иммаколата Доннарумма, Виктор Дорошенко, Михал Довчак , Стивен Р. Эйлерт, Теруаки Энотто, Юрий Евангелиста, Серджио Фабиани, Хавьер А. Гарсия, Шоичи Дзюнджи, Киёси Хаяшида, Джереми Хилл, Ватару Ивакири, Иоаннис Леудакис, Филип Карт, Владимир Карас, Давун Э. Ким, Такао Китагути, Джеффри Дж. Колодзейчак, Хенрик Кравчински, Фабио ЛаМонака, Лука Латронико, Гжегож Мадейски, Саймон Мальдера , Альберто Манфреда, Фредерик Марин, Андреа Маринуччи, Алан Б. Марчер, Херман Л. Маршалл, Франческо Массаро, Джорджио Матте, Риккардо Меди, Икуюки Мицуиси, Цунэфуми Мизуно, Фабио Мёллери, Микела Негро, Стивен Л. Уделл, Кьяра Оппедисано, Луиджи Пацциани, Алессандро Папетто, Джордж Павлов, Маттео Перри, Мелисса Пейс Роллинз, Пьер-Оливье Петруччи, Андреа Поссенти, Юрий Потанин, Симонетта Бочетти, Брайан Д. Рэмси, Джон Рэнкин, Аджай Ратиш, Оливер Дж. Робертс, Кармело Сгро, Паоло Совита, Глория Спандри, Дуглас А. Шварц, Тору Тамагава, Фабрицио Тавеккио, Роберто Таверна, Юзуру Тавара, Аллен Ф. Теннант, Николас Э. Томас, Франческо Томпези, Алессио Троа, Сергей Цыганков, Роберто Торола, Жако Финк, Кеноа Ву и Сильвия Зейн, 23 октября 2023 г., Астрофизический журнал.
дои: 10.3847/1538-4357/acfa02

IXPE — это сотрудничество НАСА и Итальянского космического агентства с научными партнерами и сотрудниками в 12 странах. IXPE под руководством Маршалла. Компания Ball Aerospace, базирующаяся в Брумфилде, штат Колорадо, управляет эксплуатацией космических кораблей в сотрудничестве с Лабораторией физики атмосферы и космоса Университета Колорадо в Боулдере.

Центр космических полетов имени Маршалла НАСА управляет программой «Чандра». Рентгеновский центр «Чандра» Смитсоновской астрофизической обсерватории контролирует научные операции из Кембриджа, штат Массачусетс, и полеты из Берлингтона, штат Массачусетс.