Vor etwa 10.000 Jahren erreichte das Licht von der Explosion eines Riesensterns im Sternbild Vela (Segel des Schiffs) die Erde. Diese Supernova hinterließ ein dichtes Objekt, einen sogenannten Pulsar, der regelmäßig zu blinken scheint, während er rotiert, ähnlich wie ein kosmischer Leuchtturm. Von der Oberfläche dieses Pulsars gehen Teilchenwinde mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus, was ein chaotisches Durcheinander aus geladenen Teilchen und Magnetfeldern hervorruft, die auf das umgebende Gas treffen. Dieses Phänomen wird als Pulsarwindnebel bezeichnet.
Auf diesem neuen Bild des Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) markiert der verwaschene hellblaue Halo die ersten Röntgenpolarisationsdaten des Vela-Pulsars. Eine schwache blaue, verschwommene Linie zeigt in die rechte obere Ecke und stellt einen Jet aus hochenergetischen Teilchen dar, die mit halber Lichtgeschwindigkeit von dem Pulsar emittiert werden. Die pinkfarbenen Röntgenbögen sind vermutlich die Ränder von donutförmigen Regionen, in denen der Pulsarwind hochenergetische Teilchen beschleunigt. Der Pulsar selbst befindet sich in dem weißen Bereich im Zentrum des Bildes.
Pinke und violette Farbtöne kennzeichnen Daten des Chandra X-ray Observatory, das den Vela-Pulsar bereits mehrfach beobachtete. Die goldfarbenen Sterne wurden vom Weltraumteleskop Hubble aufgenommen.
Die Messung der Polarisation, die mit der Schwingungsrichtung elektromagnetischer Wellen zusammenhängt, gibt Wissenschaftlern unerreichte Einblicke darin, wie ein kosmisches Objekt (beispielsweise ein Pulsar) Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt.
„Mit IXPE nutzen wir extreme Objekte wie den Vela-Pulsar als Labor, um einige der drängendsten Fragen der Astrophysik zu untersuchen – zum Beispiel die Frage, wie Teilchen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, lange nachdem ein Stern explodierte“, sagte Phil Kaaret, Seniorwissenschaftler am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville (Alabama).
In einer kürzlich erschienenen Studie waren Forscher verblüfft von dem hohen Polarisationsgrad, den sie in den Röntgenemissionen des Vela-Pulsarwindnebels fanden. IXPE-Beobachtungen dieses Objekts wurden im Dezember 2022 im Journal Nature veröffentlicht.
„Dies ist der höchste Polarisationsgrad, den wir bislang bei einer Röntgenquelle am Himmel gemessen haben“, sagte Prof. Fei Xie von der Guangxi University in Nanning (Guangxi, China), früher am National Institute for Astrophysics / Institute for Space Astrophysics and Planetology (INAF/IAPS) in Rom.
Ein hoher Polarisationsgrad bedeutet, dass die elektromagnetischen Felder sehr geordnet sind: Sie weisen in bestimmte Richtungen und hängen von ihrer Position in dem Nebel ab. Darüber hinaus stammen die von IXPE registrierten Röntgenemissionen von hochenergetischen Elektronen, die sich spiralförmig in den Magnetfeldern des Pulsarwindnebels bewegen – sogenannte Synchrotronemissionen. Hochgradig polarisierte Röntgenstrahlung bedeutet, dass diese Magnetfelder ebenfalls sehr geordnet sein müssen.
Im Gegensatz zu Supernova-Überresten, die eine Materiehülle besitzen, spreche die starke Polarisation der Röntgenstrahlen dafür, dass die Elektronen nicht durch die turbulenten Schockwellen beschleunigt wurden, die bei anderen Röntgenquellen wichtig zu sein scheinen, sagte der an der Analyse der IXPE-Daten beteiligte Astrophysiker Roger W. Romani von der Stanford University. Stattdessen muss ein anderer Prozess daran beteiligt sein, wie etwa magnetische Rekonnexion, die mit dem Zusammenbruch und der Verschmelzung von Magnetfeldlinien zusammenhängt. Das ist eine Möglichkeit, durch die magnetische Energie in Teilchenenergie umgewandelt wird.
Die IXPE-Daten deuten auch darauf hin, dass das Magnetfeld als sanfte donutförmige Struktur um den Äquator des Pulsars ausgebildet ist. Diese Form stimmt mit den Erwartungen der Wissenschaftler überein.
„Diese IXPE-Röntgenpolarisationsmessungen ergänzen ein fehlendes Teil des Rätsels um den Vela-Pulsarwindnebel“, sagte Alessandro DiMarco vom INAF/IAPS in Rom, der an der Datenanalyse mitwirkte. „Durch die Kartierung mit unerreichter Auflösung offenbart IXPE das Magnetfeld in der Zentralregion und es stimmt mit den Ergebnissen von Radiobeobachtungen des äußeren Nebels überein.“
Der Vela-Pulsar liegt etwa 1.000 Lichtjahre von der Erde entfernt, hat circa 25 Kilometer Durchmesser und rotiert elf Mal pro Sekunde – schneller als der Rotor eines Helikopters.
(THK)
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