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Jul 01, 2023

NuSTAR der NASA macht aufschlussreiche Entdeckungen mit „störendem“ Licht

Diese Abbildung zeigt das NuSTAR-Röntgenteleskop der NASA im Weltraum. Zwei sperrige

Diese Abbildung zeigt das NuSTAR-Röntgenteleskop der NASA im Weltraum. Zwei sperrige Komponenten werden durch eine 33 Fuß (10 Meter) lange Struktur getrennt, die als ausfahrbarer Mast oder Ausleger bezeichnet wird. Das Licht wird an einem Ende des Auslegers gesammelt und entlang seiner Länge fokussiert, bevor es auf die Detektoren am anderen Ende trifft.

Eine Design-Eigenart des Röntgenobservatoriums hat es Astronomen ermöglicht, bisher unerwünschtes Licht zu nutzen, um noch mehr kosmische Objekte als zuvor zu untersuchen.

Seit fast zehn Jahren untersucht das Röntgen-Weltraumobservatorium NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) der NASA einige der Objekte mit der höchsten Energie im Universum, etwa kollidierende tote Sterne und riesige Schwarze Löcher, die sich an heißem Gas erfreuen. Während dieser Zeit mussten sich Wissenschaftler mit Streulicht auseinandersetzen, das durch die Seiten des Observatoriums eindringt und die Beobachtungen beeinträchtigen kann, ähnlich wie externes Rauschen ein Telefongespräch übertönen kann.

Aber jetzt haben die Teammitglieder herausgefunden, wie sie dieses Streuröntgenlicht nutzen können, um mehr über Objekte im peripheren Sichtfeld von NuSTAR zu erfahren und gleichzeitig normale gezielte Beobachtungen durchzuführen. Diese Entwicklung hat das Potenzial, die Erkenntnisse, die NuSTAR bietet, zu vervielfachen. Ein neuer wissenschaftlicher Artikel im Astrophysical Journal beschreibt die erste Nutzung der Streulichtbeobachtungen von NuSTAR, um mehr über ein kosmisches Objekt zu erfahren – in diesem Fall einen Neutronenstern.

Neutronensterne sind kleine Materialklumpen, die nach dem Kollaps eines Sterns übrig bleiben. Sie gehören nach Schwarzen Löchern zu den dichtesten Objekten im Universum. Ihre starken Magnetfelder fangen Gaspartikel ein und leiten sie zur Oberfläche des Neutronensterns. Wenn die Teilchen beschleunigt und mit Energie versorgt 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 Wissenschaftler haben mehrere Gründe ermittelt, warum sich die Helligkeit von SMC X-1 bei der Untersuchung mit Röntgenteleskopen ändert. Beispielsweise nimmt die Helligkeit der Röntgenstrahlen ab, wenn der Neutronenstern bei jeder Umlaufbahn hinter den lebenden Stern eintaucht. Dem Papier zufolge waren die Streulichtdaten empfindlich genug, um einige dieser gut dokumentierten Änderungen zu erkennen.

„Ich denke, diese Arbeit 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. „Für die Zukunft wäre es großartig, wenn wir die Streulichtdaten nutzen könnten, um Objekte zu betrachten, von denen wir noch nicht wissen, ob sich ihre Helligkeit regelmäßig ändert, 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 besteht aus zwei sperrigen Komponenten an beiden Enden 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 zum Sammeln von Röntgenstrahlen enthält – 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 beiden ist notwendig, um das Licht zu fokussieren.

Aber auch Streulicht gelangt zu den Detektoren, indem es unter Umgehung der Optik durch die Seiten des Auslegers eindringt. Es erscheint im Sichtfeld von NuSTAR zusammen mit dem Licht von jedem Objekt, das das Teleskop direkt beobachtet, und ist mit dem bloßen Auge oft recht leicht zu identifizieren: Es bildet einen Kreis aus schwachem Licht, der an den Seiten des Bildes austritt. (Es überrascht nicht, dass Streulicht für viele andere weltraum- und bodengestützte Teleskope ein Problem darstellt.)

Eine Gruppe von NuSTAR-Teammitgliedern hat die letzten Jahre damit verbracht, das Streulicht aus verschiedenen NuSTAR-Beobachtungen zu trennen. Nachdem sie helle, bekannte Röntgenquellen in der Peripherie jeder Beobachtung identifiziert hatten, verwendeten sie Computermodelle, um vorherzusagen, wie viel Streulicht auf der Grundlage des nahegelegenen hellen Objekts auftreten würde. Sie untersuchten auch fast jede NuSTAR-Beobachtung, um das verräterische Zeichen von Streulicht zu bestätigen. Das Team erstellte einen Katalog mit etwa 80 Objekten, für die NuSTAR Streulichtbeobachtungen gesammelt hatte, und nannte die Sammlung „StrayCats“.

„Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem ruhigen Kino, schauen 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. „Früher war das Streulicht so – eine Ablenkung von dem, worauf wir uns konzentrieren wollten. Jetzt haben wir die Werkzeuge, um dieses zusätzliche Rauschen in nützliche Daten umzuwandeln, was eine völlig neue Möglichkeit eröffnet, NuSTAR zur Erforschung des Universums zu nutzen.“ ."

Natürlich können die Streulichtdaten die direkten Beobachtungen mit NuSTAR nicht ersetzen. Abgesehen davon, dass Streulicht nicht fokussiert 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 durchforstet und Fälle schneller Aufhellung durch periphere Objekte gefunden, bei denen es sich um eine beliebige Anzahl dramatischer Ereignisse handeln könnte, beispielsweise um thermonukleare Explosionen auf der Oberfläche von Neutronensternen. Die Beobachtung der Häufigkeit und Intensität der Helligkeitsänderungen eines Neutronensterns kann Wissenschaftlern dabei helfen, zu entschlüsseln, was mit diesen Objekten geschieht.

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

Mehr über die Mission

NuSTAR startete am 13. Juni 2012. Eine Small Explorer-Mission unter der Leitung von Caltech und verwaltet von JPL für das Science Mission Directorate der NASA in Washington. Sie wurde in Zusammenarbeit mit der Danish Technical University (DTU) und der Italian Space Agency (ASI) entwickelt. Die Teleskopoptik wurde von der Columbia University, dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und der DTU gebaut. Das Raumschiff wurde von Orbital Sciences Corp. in Dulles, Virginia, gebaut. Das Missionsbetriebszentrum von NuSTAR befindet sich an der University of California, Berkeley, und das offizielle Datenarchiv befindet sich im High Energy Astrophysics Science Archive Research Center der NASA. ASI stellt die Bodenstation der Mission und ein Spiegeldatenarchiv zur Verfügung. Caltech verwaltet JPL für die NASA.

Weitere Informationen zu NuSTAR finden Sie unter:

http://www.nasa.gov/nustar

Und

www.nustar.caltech.edu

Calla Cofield

Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Kalifornien.

626-808-2469

[email protected]

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