Ein brandneues Weltraumteleskop wird bald eine verborgene Vision des Kosmos enthüllen und möglicherweise unser Verständnis von Schwarzen Löchern, Supernovae und sogar der Natur des Universums selbst verändern.
Nein, das nicht.
In diesem Monat wird dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation, das am 22. Dezember starten soll, große Aufmerksamkeit gewidmet kleineres, aber auch transformatives Observatorium.
Die NASA startete den Imaging X-ray Polarimetry Explorer oder die IXPE-Mission auf einer SpaceX Falcon 9-Rakete vom Kennedy Space Center in Florida um 1 Uhr morgens Ost. Die Raumsonde kostete nur 188 Millionen US-Dollar, verglichen mit dem Mammutbudget von James Webb von 9,7 Milliarden US-Dollar, und soll eine neue Form der Astronomie demonstrieren. Es wird zum ersten Mal bildgebende Röntgenpolarimetrie in der Umlaufbahn durchführen, eine Technik, die Astronomen Einblicke bieten könnte, die kein anderes Teleskop erreichen kann.
„Es liefert uns Informationen über einige der bizarrsten und aufregendsten Objekte im Weltraum“, sagte Thomas Zurbuchen, stellvertretender Administrator des Direktorats für Wissenschaftsmissionen der NASA.
IXPE (vom Missionsteam als „ix-pee“ ausgesprochen) wurde nach seinem Start in eine Umlaufbahn 540 Meilen über der Erde gebracht. Das Teleskop wird dort mehrere Wochen verbringen, seine wissenschaftlichen Instrumente einsetzen und seine Ausrüstung testen, bevor es seine zweijährige Mission beginnt.
Röntgenstrahlen sind eine nützliche Methode, um das Universum zu beobachten. Sie werden von extrem energiereichen Objekten emittiert und ermöglichen es Astronomen, Ereignisse – zum Beispiel überhitzte Jets in der Nähe von Schwarzen Löchern oder Explosionen von Sternen – auf eine Weise zu untersuchen, die andere Wellenlängen wie sichtbares Licht nicht können. Röntgenstrahlen können jedoch nur aus dem Weltraum untersucht werden, da sie größtenteils von der Erdatmosphäre absorbiert werden.
Eine Vielzahl spezieller Röntgen-Weltraumteleskope und -Instrumente sind in die Umlaufbahn gestartet, vor allem das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA und das XMM-Newton-Observatorium der ESA, die beide 1999 in Betrieb genommen wurden Nebel und kartierte unter anderem die Ausbreitung dunkler Materie in Galaxienhaufen.
Der Einsatz der bildgebenden Röntgenpolarimetrie unterscheidet IXPE von seinen Vorgängern. Wenn Sie jemals eine polarisierte Sonnenbrille getragen haben, wissen Sie vielleicht, dass diese dünne Schlitze verwenden, um horizontales Licht zu blockieren, aber dass sie durch seitliches Drehen stattdessen vertikales Licht blockieren. Das gleiche Prinzip wird in der Röntgenpolarimetrie verwendet. Die Technik wird es Astronomen ermöglichen, die Richtung der wellenförmigen Bewegung der Röntgenteilchen bei ihrer Ankunft zu beobachten und die Ausrichtung der einfallenden elektrischen und magnetischen Felder aufzudecken. Ausgestattet mit diesen Daten können Astronomen mehr Informationen aus den Röntgenstrahlen gewinnen, die von astrophysikalischen Phänomenen emittiert werden.
Anstatt die Röntgenstrahlen einfach mit einem einzigen Instrument zu beobachten, besteht die Raumsonde eigentlich aus drei separaten Teleskopen mit jeweils 24 konzentrischen Spiegeln am Ende eines 13 Fuß langen Auslegers, der während der ersten Woche des Teleskops im Weltraum ausgefahren wird.
Wenn die Röntgenstrahlen eintreffen, werden sie von jedem Teleskop auf drei Detektoren am Ende des Auslegers fokussiert. Die Detektoren enthalten jeweils eine 10-Millimeter-Schicht Helium und ein Gas namens Dimethylether oder DME. Dadurch wird die Polarisation der Röntgenstrahlen sichtbar, die beim Auftreffen Spuren im Gas hinterlassen.
„Diese Detektoren werden ein Bild der Polarisation liefern“, sagte Elisabetta Cavazzuti, eine Programmmanagerin der italienischen Weltraumbehörde, die die Detektoren entworfen hat.
Es habe bereits mehrere Versuche gegeben, Röntgenpolarimetrie im Weltraum durchzuführen, sagte Martin Weisskopf, der leitende Ermittler der Mission am Marshall Space Flight Center der NASA. 1971 war Dr. Weisskopf an einer erfolgreichen experimentellen Mission beteiligt, die kurze Röntgenpolarisationsbeobachtungen des Krebsnebels in unserer Galaxie mit einer Höhenforschungsrakete durchführte, die gerade auf und ab fliegt, aber nicht in die Umlaufbahn geht. Ein späterer Versuch, in den 1990er Jahren ein fortschrittlicheres Polarimeter auf der sowjetischen Raumsonde Spectrum-X zu starten, wurde laut Dr. Weisskopf durch den Zusammenbruch der Sowjetunion unterbrochen.
„Wir haben lange auf eine Polarimetrie-Mission gewartet“, sagte er.
Seine Geduld und die anderer Forscher zahlten sich 2017 aus, als die NASA IXPE als Teil ihres Small Explorers-Programms auswählte.
In den zwei Jahren nach ihrem Start wird die Raumsonde IXPE mehr als 100 kosmische Ziele beobachten, darunter Schwarze Löcher, Supernovae und exotische Sterne.
Ein Ziel des Teleskops ist es, die Drehung relativ kleiner Schwarzer Löcher zu beobachten, die etwa die 10-fache Masse unserer Sonne haben. Röntgenpolarimetrie wird in der Lage sein, relativistische Effekte zu untersuchen, die sehr nahe an diesen Schwarzen Löchern auftreten, wo sich der Polarisationswinkel der entwichenen Röntgenphotonen ändert, während sie durch die stark verzerrte Raumzeit reisen, die durch die Spin des Schwarzen Lochs.
„Zum ersten Mal können wir versuchen, diese Verzerrungen zu messen“, sagt Adam Ingram, Dozent für Astrophysik an der Newcastle University in England.
IXPE wird auch Neutronensterne untersuchen, die Überbleibsel von Kernen, die nach dem Kollaps von Riesensternen zurückbleiben. Wissenschaftler interessieren sich besonders für Pulsare, die schnell rotierende Neutronensterne sind, und Magnetare, die stark magnetisiert sind.
Indem die Forscher Magnetare genauer unter die Lupe nehmen, hoffen die Forscher, zu sehen, wie hartnäckig die Gesetze der Physik sind. Das IXPE wird in der Nähe dieser Sterne einen Effekt namens Quantenelektrodynamik (QED) untersuchen können, bei dem die extrem starken Magnetfelder eine hohe Polarisation der emittierten Röntgenteilchen bewirken sollen.
„QED ist die Grundlage unseres Verständnisses der Physik“, sagte Ilaria Caiazzo, Forscherin vom California Institute of Technology. „Wenn wir feststellen würden, dass es nicht richtig ist, würde das wirklich alles revolutionieren. Ich gehe davon aus, dass wir diesen Effekt bestätigen werden.“
An anderer Stelle könnte IXPE uns mehr über die Momente nach einer Sternexplosion, einer Supernova, erzählen. Die Daten der Raumsonde werden zeigen, wie ausgestoßenes Material einer Supernova mit dem umgebenden interstellaren Medium interagiert, wenn es mit extremen Geschwindigkeiten hineinpflügt und eine Schockfront erzeugt. Elektronen können dann über die Stoßfront hin und her wandern, ein Vorgang, der als diffusive Stoßbeschleunigung bekannt ist.
„Es ist ein sehr wichtiger Prozess in der Astronomie, aber wir verstehen die Details nicht vollständig“, sagte Dr. Ingram. “Es wird angenommen, dass es der Grund dafür ist, warum Supernova-Überreste hell sind.”
Die Hauptmission von IXPE wird voraussichtlich zwei Jahre dauern. Aber wenn die NASA die Mission verlängert, könnte die Raumsonde fast zwei Jahrzehnte halten, sagte Dr. Weisskopf. Mit mehr Zeit könnten Astronomen andere Ziele wie Sagittarius A* untersuchen, das supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. Durch die Suche nach den Reflexionen von Röntgenstrahlen an Gaswolken in der Nähe des Schwarzen Lochs konnten sie nach Hinweisen auf eine erhöhte Aktivität von Sagittarius A* in den letzten Jahrhunderten suchen.
„Die Wolken wären nicht so hell, wie sie scheinen, es sei denn, das Schwarze Loch wäre vor mehreren hundert Jahren heller gewesen“, sagte Dr. Weisskopf. „Sie können berechnen, wie lange es dauert, bis die Röntgenstrahlen in die Wolke gelangen und auf uns zuprallen. Es ist ein sehr hartes Experiment.“
Im Vergleich zu Superteleskopen wie dem James Webb mag IXPE relativ bescheiden sein. Aber es unterstreicht die Breite der Astronomie, die Wissenschaftler derzeit betreiben, und die neuartigen Methoden, mit denen fortschrittliche Maschinen zur Erforschung unseres Universums eingesetzt werden.
Die Röntgenpolarimetrie, einst ein geschlossenes Fenster zum Kosmos, wird geöffnet – und damit werden viele verborgene Geheimnisse gelüftet.
„Es ist wirklich eine neue Art, den Himmel zu betrachten“, sagte Dr. Zurbuchen.