Νέα εποχή στην αστροφυσική – Το IXPE της NASA καταγράφει για πρώτη φορά τις ακτίνες Χ από έκρηξη μαγνητάρ

Τι συμβαίνει όταν το πιο μαγνητικό αντικείμενο του σύμπαντος λάμπει με τη δύναμη 1000 ήλιων μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα;

Χάρη στο IXPE (Imaging X‑ray Polarimetry Explorer) της NASA, μια αποστολή σε συνεργασία με την ASI (Ιταλική Διαστημική Υπηρεσία), οι επιστήμονες είναι ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση αυτού του ακραίου φαινομένου.

Οι μαγνητάρες και η ακραία φυσική των αστέρων νετρονίων

Οι μαγνητάρες είναι ένας τύπος νεαρού αστέρα νετρονίων – ενός υπολείμματος άστρου που σχηματίζεται όταν ένα τεράστιο άστρο φτάνει στο τέλος της ζωής του και καταρρέει, αφήνοντας πίσω έναν πυρήνα με μάζα περίπου ίση με του Ήλιου, αλλά συμπιεσμένο στο μέγεθος μιας πόλης.

Οι αστέρες νετρονίων παρουσιάζουν μερικά από τα πιο ακραία φαινόμενα φυσικής στο παρατηρήσιμο σύμπαν και προσφέρουν μοναδικές ευκαιρίες για μελέτη συνθηκών που θα ήταν αδύνατο να αναπαραχθούν σε εργαστήριο στη Γη.

Η έκρηξη του μαγνητάρ 1E 1841-045 και η παρέμβαση των τηλεσκοπίων της NASA

Ο μαγνητάρ 1E 1841-045, που βρίσκεται στα κατάλοιπα υπερκαινοφανούς (SNR Kes 73) σε απόσταση σχεδόν 28.000 ετών φωτός από τη Γη, παρατηρήθηκε σε κατάσταση έκρηξης από τα τηλεσκόπια Swift, Fermi και NICER της NASA στις 21 Αυγούστου 2024.

Μερικές φορές τον χρόνο, η ομάδα του IXPE εγκρίνει αιτήματα για διακοπή του προγραμματισμένου προγράμματος παρατηρήσεων του τηλεσκοπίου, ώστε να επικεντρωθεί σε μοναδικά και απρόβλεπτα ουράνια φαινόμενα. Όταν ο μαγνητάρ 1E 1841-045 εισήλθε σε αυτή τη φωτεινότερη, ενεργή κατάσταση, οι επιστήμονες αποφάσισαν να κατευθύνουν το IXPE για να αποκτήσουν τις πρώτες μετρήσεις πόλωσης από μαγνητάρ σε έκρηξη.

Η μαγνητική δύναμη των μαγνητάρων και η σημασία των εκρήξεων

Οι μαγνητάρες έχουν μαγνητικά πεδία χιλιάδες φορές ισχυρότερα από τους περισσότερους αστέρες νετρονίων και φιλοξενούν τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία που είναι γνωστά στο σύμπαν. Διαταραχές στα ακραία μαγνητικά τους πεδία μπορούν να προκαλέσουν την εκπομπή μέχρι και χίλιες φορές περισσότερης ενέργειας ακτίνων Χ από το κανονικό για αρκετές εβδομάδες. Αυτή η ενισχυμένη κατάσταση ονομάζεται «έκρηξη», αλλά οι μηχανισμοί που τις προκαλούν δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητοί.

Η μέτρηση πόλωσης ακτίνων Χ φέρνει νέα δεδομένα

Μέσω των μετρήσεων πόλωσης των ακτίνων Χ του IXPE, οι επιστήμονες ίσως πλησιάσουν στην αποκάλυψη των μυστηρίων αυτών των φαινομένων. Η πόλωση φέρει πληροφορίες για τον προσανατολισμό και την ευθυγράμμιση των κυμάτων φωτός ακτίνων Χ που εκπέμπονται· όσο υψηλότερος ο βαθμός πόλωσης, τόσο πιο συγχρονισμένα ταξιδεύουν τα κύματα, παρόμοια με μια άψογα χορογραφημένη παράσταση. Η εξέταση των χαρακτηριστικών πόλωσης των μαγνητάρων αποκαλύπτει στοιχεία για τις ενεργειακές διαδικασίες που παράγουν τα παρατηρούμενα φωτόνια, καθώς και για την κατεύθυνση και τη γεωμετρία των μαγνητικών πεδίων του μαγνητάρ.

Αποτελέσματα και συμβολή άλλων τηλεσκοπίων

Τα αποτελέσματα του IXPE, με τη βοήθεια παρατηρήσεων από τα τηλεσκόπια NuSTAR και NICER της NASA, δείχνουν ότι οι εκπομπές ακτίνων Χ από τον 1E 1841-045 γίνονται πιο πολωμένες σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας, διατηρώντας την ίδια κατεύθυνση διάδοσης. Μια σημαντική συμβολή σε αυτόν τον υψηλό βαθμό πόλωσης προέρχεται από την «σκληρή» ουρά ακτίνων Χ του 1E 1841-045, ένα ενεργητικό μαγνητοσφαιρικό συστατικό που κυριαρχεί στα υψηλότερα φωτονικά επίπεδα ενέργειας που παρατηρούνται από το IXPE.

Τι είναι οι «σκληρές» ακτίνες Χ και τι αποκαλύπτουν

Οι «σκληρές ακτίνες Χ» αναφέρονται σε ακτίνες Χ με μικρότερα μήκη κύματος και υψηλότερες ενέργειες σε σύγκριση με τις «μαλακές» ακτίνες Χ. Αν και συχνές στους μαγνητάρες, οι μηχανισμοί που οδηγούν στην παραγωγή αυτών των υψηλής ενέργειας φωτονίων ακτίνων Χ παραμένουν σε μεγάλο βαθμό άγνωστοι. Έχουν προταθεί διάφορες θεωρίες για να εξηγήσουν αυτή την εκπομπή, αλλά πλέον η υψηλή πόλωση που συνδέεται με αυτές τις σκληρές ακτίνες Χ παρέχει περαιτέρω ενδείξεις για την προέλευσή τους.

Δημοσίευση αποτελεσμάτων και δηλώσεις των επιστημόνων

Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε δύο άρθρα που δημοσιεύθηκαν στο The Astrophysical Journal Letters, το ένα με επικεφαλής τη Rachael Stewart, υποψήφια διδάκτωρ στο Πανεπιστήμιο George Washington και το άλλο από τη Michela Rigoselli του Ιταλικού Εθνικού Ινστιτούτου Αστροφυσικής.

«Αυτή η μοναδική παρατήρηση θα βοηθήσει στην εξέλιξη των υπαρχόντων μοντέλων που αποσκοπούν να εξηγήσουν την εκπομπή σκληρών ακτίνων Χ από μαγνητάρες, καθώς θα πρέπει πλέον να λαμβάνουν υπόψη αυτό το πολύ υψηλό επίπεδο συγχρονισμού που παρατηρούμε στα φωτόνια σκληρών ακτίνων Χ» δήλωσε η Stewart.

«Αυτό αναδεικνύει πραγματικά τη δύναμη των μετρήσεων πόλωσης στο να περιορίσουν τις φυσικές θεωρίες στα ακραία περιβάλλοντα των μαγνητάρων».

Η Rigoselli, επικεφαλής συγγραφέας του συνοδευτικού άρθρου, πρόσθεσε: «Θα έχει ενδιαφέρον να παρατηρήσουμε τον 1E 1841-045 μόλις επιστρέψει στην ήρεμη, βασική του κατάσταση, ώστε να παρακολουθήσουμε την εξέλιξη των πολωτικών του ιδιοτήτων».

Το IXPE ως εργαλείο εξερεύνησης του ακραίου σύμπαντος

Το IXPE είναι ένα διαστημικό παρατηρητήριο που δημιουργήθηκε για να αποκαλύψει τα μυστικά μερικών από τα πιο ακραία αντικείμενα του σύμπαντος. Εκτοξεύθηκε τον Δεκέμβριο του 2021 από το Διαστημικό Κέντρο Κένεντι της NASA με πύραυλο Falcon 9 και αποτελεί μέρος της σειράς αποστολών Small Explorer της NASA.

Το IXPE, το οποίο συνεχίζει να προσφέρει πρωτοφανή δεδομένα που καθιστούν δυνατές επαναστατικές ανακαλύψεις για τα ουράνια αντικείμενα του σύμπαντος, είναι μια κοινή αποστολή της NASA και της Ιταλικής Διαστημικής Υπηρεσίας, με εταίρους και επιστημονικούς συνεργάτες σε 12 χώρες. Το IXPE διευθύνεται από το Marshall Space Flight Center της NASA στη Χάντσβιλ, Αλαμπάμα. Η BAE Systems, με έδρα το Falls Church της Βιρτζίνια, διαχειρίζεται τις επιχειρήσεις του διαστημικού σκάφους σε συνεργασία με το Εργαστήριο Ατμοσφαιρικής και Διαστημικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Μπόλντερ.

Πληροφορίες