IXPE ist eine Röntgenastronomiemission, die 2021 startet und unser Verständnis kosmischer Phänomene wie Blazare und Supernova-Überreste revolutioniert. Am 9. Dezember feierten Astronomen und Physiker zwei Jahre bahnbrechende röntgenwissenschaftliche Ergebnisse der NASA-Mission IXPE (Imaging X-ray Polar Explorer).

Der im Dezember 2021 gestartete Imaging X-ray Polar Explorer (IXPE) ist ein wichtiges astronomisches Instrument, das die Erde umkreist und zur Untersuchung der Röntgenstrahlung kosmischer Phänomene wie Quasare, Quasare und Schwarze Löcher verwendet wird. Seine Entdeckung spielte eine Schlüsselrolle bei der Aufklärung langjähriger kosmischer Geheimnisse, wie etwa des Beschleunigungsprozesses von Quasaren und der Aktivität von Supernova-Überresten. Quelle: NASA

IXPE ist eine gemeinsame Mission der NASA und der italienischen Raumfahrtbehörde zur Untersuchung polarisierten Röntgenlichts. Polarisation ist eine Eigenschaft des Lichts, die dabei hilft, Informationen über seinen Ursprung preiszugeben, beispielsweise über die Geometrie und das Innenleben der leistungsstarken Energiequelle, die dieses Licht aussendet.

IXPE wurde am 9. Dezember 2021 gestartet und umkreist die Erde in einer Höhe von etwa 340 Meilen. Dabei wird die Röntgenstrahlung mächtiger kosmischer Phänomene untersucht, die Tausende bis Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind, darunter die Überreste von Supernova-Explosionen wie Quasaren, Blazaren und Neutronensternen sowie hochenergetische Teilchenströme, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus nahegelegenen Schwarzen Löchern ausgestoßen werden.

Eine Animation des Einsatzes von IXPE im Weltraum vor Beginn einer Operation zur wissenschaftlichen Erforschung des Universums. Quelle: NASA

„Das Hinzufügen der Röntgenpolarisation zu unserem Radio-, Infrarot- und optischen Polarisationsarsenal wird eine Wende bedeuten“, sagte Alan Marscher, ein Astronom an der Boston University, der ein Forschungsteam leitete, das die IXPE-Ergebnisse zur Analyse supermassiver Schwarzer Löcher nutzte.

„Wir alle kennen Röntgenstrahlen als medizinische Diagnoseinstrumente für den Menschen“, sagte Josephine Wong, Forscherin an der Stanford University. „Hier nutzen wir sie auf andere Weise, aber auch hier offenbaren sie Informationen, die wir nicht sehen können.“

Martin Weisskopf ist ein Astrophysiker, der die Entwicklung von IXPE leitete und bis zu seinem Ausscheiden aus der NASA im Frühjahr 2022 als Hauptforscher von IXPE fungierte.

„Ohne Zweifel hat IXPE gezeigt, dass die Röntgenpolarimetrie für das weitere Verständnis dieser faszinierenden Röntgensysteme sehr wichtig und relevant ist.“ -Martin Weisskopf, pensionierter IXPE-Hauptforscher

Wissenschaftler haben die Grundprinzipien von Blazaren wie Markarian501 und Markarian421 schon lange verstanden. Ein Quasar ist ein riesiges Schwarzes Loch, das sich von wirbelnder Materie ernährt und leistungsstarke Jets aus kosmischen Teilchen mit hoher Geschwindigkeit erzeugt, die in zwei Richtungen senkrecht zur Scheibe fliegen. Doch wie werden diese Teilchen auf solch hohe Energien beschleunigt? Im November 2022 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte IXPE-Daten identifizierten den Übeltäter von Macharia 501 als Stoßwellen im Innern des Jets.

Diese Abbildung der NASA zeigt die Struktur des Jets eines Schwarzen Lochs, die aus jüngsten Beobachtungen des Blazars Markarian 421 durch den Imaging X-ray Polar Explorer (IXPE) abgeleitet wurde. Die Jets werden von einer Akkretionsscheibe angetrieben (siehe unten im Bild), die das Schwarze Loch umkreist und mit der Zeit in dieses hineinfällt. Ein spiralförmiges Magnetfeld durchdringt den Strahl. Die Beobachtungen von IXPE deuten darauf hin, dass die Röntgenstrahlen durch Stöße im Inneren von Materie erzeugt werden müssen, die um ein spiralförmiges Magnetfeld rotiert. Der Einschub zeigt die Aufprallfront selbst. Röntgenstrahlen werden in der weißen Region erzeugt, die der Aufprallfront am nächsten liegt, während optische und Radioemissionen aus turbulenten Regionen kommen müssen, die weiter vom Aufprall entfernt sind. Quelle: NASA/Pablo Garcia

„Wir haben endlich alle Teile des Puzzles und sie ergeben zusammen ein sehr klares Bild“, sagte Yannis Liodakis, ein Postdoktorand der NASA am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama.

IXPE führte außerdem beispiellose Studien an drei Supernova-Überresten durch – Cassiopeia A, Tycho und SN1006 –, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, die Ursprünge und Prozesse der diese Phänomene umgebenden Magnetfelder besser zu verstehen.

IXPE wirft auch neues Licht auf die grundlegende Mechanik unserer Galaxie. Laut einer Anfang 2022 von IXPE durchgeführten Studie erwachte das supermassive Schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße vor etwa 200 Jahren, verschluckte Gas und anderen kosmischen Müll und löste starke und kurzlebige Röntgenfackeln aus. Durch die Kombination von Daten von IXPE, Chandra und der XMM-Newton-Mission der Europäischen Weltraumorganisation stellten die Forscher fest, dass sich das Ereignis etwa im frühen 19. Jahrhundert ereignete.

„Wir wissen, dass sich aktive Galaxien und supermassereiche Schwarze Löcher auf menschlichen Zeitskalen verändern können“, sagte IXPE-Projektwissenschaftler Steve Ehlert von der Marshall Division der NASA. „IXPE hilft uns, die Zeitskalen, in denen sich das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße verändert, besser zu verstehen. Wir sind gespannt darauf, es weiter zu beobachten, um herauszufinden, welche Veränderungen typisch und welche einzigartig sind.“

Dieses neue Bild des Supernova-Überrests SN1006 kombiniert Daten des Imaging X-ray Polarization Explorer der NASA und des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA. Die roten, grünen und blauen Elemente spiegeln die von Chandra entdeckten Röntgenstrahlen niedriger, mittlerer und hoher Energie wider. In der oberen linken Ecke sind in Lila die IXPE-Daten dargestellt, die die Polarisation des Röntgenlichts messen, zusammen mit Linien, die die Auswärtsbewegung des Magnetfelds des Überrestes darstellen. Quelle: Röntgen: NASA/CXC/SAO (Chandra); NASA/MSFC/Nanjing University/P.Zhou et al. (IXPE); IR: NASA/JPL/CalTech/Spitzer; Bildverarbeitung: NASA/CXC/SAO/J.Schmidt

IXPE unterstützt auch Beobachtungen unerwarteter kosmischer Ereignisse – wie zum Beispiel des hellsten Pulses intensiver Strahlung seit Beginn der Aufzeichnungen, der im Oktober 2022 plötzlich durch das Sonnensystem fegte.

Forscher sagen, dass der Puls von einem starken Gammastrahlenausbruch stammt, der möglicherweise nicht einmal in 10.000 Jahren auftritt. IXPE unterstützte Daten des Fermi-Weltraumteleskops der NASA und anderer Bildgeber und half dabei, die Organisation der starken Emission zu bestimmen, und bestätigte, dass Erdbildgeber den Jet fast direkt frontal beobachteten.

Was Weltraumwissenschaftler vielleicht am meisten begeistert, ist die Tatsache, dass die Daten von IXPE traditionelle Ansichten über verschiedene Arten von Hochenergiequellen auf den Kopf stellen.

„In den letzten zwei Jahren haben wir viele Ergebnisse polarisierter Röntgenstrahlen gesehen, die so überraschend waren, dass sie theoretische Modelle über den Haufen werfen“, sagte Ellert.

„Ergebnisse zu sehen, die wir nicht erwartet hatten, führt zu neuen Fragen, neuen Theorien. Es ist wirklich aufregend!“ - Steve Ehlert, IXPE-Projektwissenschaftler

Die Aufregung unter den IXPE-Partnern auf der ganzen Welt hält an. Im Juni dieses Jahres wurde die Mission offiziell um 20 Monate nach ihrem ersten zweijährigen Flug verlängert, was bedeutet, dass IXPE bis mindestens September 2025 weiterhin hochenergetische Röntgenstrahlung im gesamten Universum beobachten wird.

Das neue Jahr markiert auch den Start des IXPE General Observer Program, das Astrophysiker und andere Weltraumwissenschaftler auf der ganzen Welt einlädt, Forschungsvorhaben mit dem IXPE-Teleskop vorzuschlagen und daran teilzunehmen. Ab Februar 2024 stehen 80 % der IXPE-Zeit der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung.

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily