Туманність, яку раніше ніколи не бачили за допомогою IXPE НАСА

2 лютого 1971 року ракета-зонд стартувала з острова Уоллопс, штат Вірджинія, зі спеціалізованими датчиками, націленими на Крабоподібну туманність, яскравий космічний об’єкт, що знаходиться на відстані 6500 світлових років від нас. У ті дні, перш ніж відновити фізичні стрічки в результаті експерименту, вчені вперше отримали наукові дані за допомогою стрічкового реєстратора, пристрою, який друкував сигнали на папері. Астроном Мартін Вайскопф і його колеги почали аналіз у день запуску, вимірявши відстань між сигналами за допомогою лінійки та олівця.    

«Що робить науку такою прекрасною та захоплюючою, так це те, що протягом цих кількох моментів ви бачите те, чого ніхто ніколи раніше не бачив», — сказав Вайскопф, нині почесний астроном Центру космічних польотів імені Маршалла НАСА в Хантсвіллі, штат Алабама.

Десятиліттями пізніше Вайскопф запропонував розробку орбітального навколоземного супутника з потужними інструментами, які могли б збирати набагато більш детальні вимірювання такого ж типу щодо Крабовидної туманності та інших загадкових космічних об’єктів. Цей супутник став Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) NASA, який був запущений 9 грудня 2021 року.

Тепер, більше ніж через 50 років після експерименту із зондуванням ракети, вчені використали IXPE, щоб створити детальну карту магнітного поля Крабоподібної туманності з нюансами, яка розкриває більше, ніж будь-коли раніше, його внутрішніх функцій. Нові результати, опубліковані в журналі Nature Astronomy, допомагають вирішити давні таємниці про добре вивчену Крабовидну туманність і відкривають нові питання для майбутніх досліджень.

Дані IXPE показують, що магнітне поле Крабоподібної туманності нагадує магнітне поле туманності вітру Пульсар Вела, яка також має форму бублика. Але на Крабі вчені були здивовані тим, що зони турбулентності магнітного поля були більш неоднозначними та асиметричними, ніж очікувалося.

«Це чітке свідчення того, що навіть більш складні моделі, розроблені в минулому з використанням передових чисельних методів, не повністю відображають складність цього об’єкта», — сказав Нікколо Бучіантіні, провідний автор дослідження та астроном INAF. Обсерваторія Арчетрі у Флоренції, Італія.

Крабоподібна туманність, улюблений об’єкт дослідження серед астрономів, утворилася в результаті спалаху наднової зірки, задокументованої в 1054 році. Вибух залишив за собою щільний об’єкт під назвою Крабовий пульсар діаметром приблизно з Хантсвілль, штат Алабама, або довжиною з Манхеттен, але стільки ж маса приблизно як два Сонця. Хаотичний безлад газів, ударних хвиль, магнітних полів і високоенергетичного світла та частинок, що надходять від обертового пульсара, разом називають «пульсарною туманністю вітру». Ці екстремальні умови створюють дивне середовище, яке ще до кінця не вивчене.

Вайскопф і його колеги сподівалися по-новому зрозуміти це екстремальне середовище, вимірявши поляризацію рентгенівського випромінювання Крабоподібної туманності, яка яскраво світить у рентгенівських променях. Поляризація рентгенівського випромінювання дає вченим підказки щодо напрямку, куди вказує магнітне поле в різних частинах космічного об’єкта, а також про те, наскільки добре впорядковане магнітне поле. Геометрія магнітного поля та турбулентність визначають, як частинки катапультуються до швидкості світла.

За п’ять хвилин, які експеримент із зондуючою ракетою 1971 року провів над атмосферою Землі, він створив перші в світі вимірювання поляризації рентгенівського випромінювання.

У 1975 році вчені запустили супутник під назвою OSO-8, який також виміряв поляризацію рентгенівського випромінювання Крабовидної туманності. Ракета та супутник дали загалом однаковий результат: середня поляризація Крабовидної туманності становить близько 20%.

Як науковий співробітник рентгенівської обсерваторії NASA Chandra, яка була запущена в 1999 році, Вайскопф продовжив дослідження Крабовидної туманності новими способами. Разом з Чандрою ми зробили чудові зображення туманності та пульсара, і ми могли побачити струмені та різні структури», – сказав він. Рентгенівське зображення Чандри виявило подібні до пучка структури, які рухаються в туманності, і допомогло вченим глибше зрозуміти взаємозв’язок між енергією пульсара та рентгенівським випромінюванням. 

Майже всі останні великі телескопи вказували на Крабовидну туманність, щоб краще зрозуміти цей таємничий залишок наднової. Але лише IXPE може вивчати рентгенівські промені Краба з точки зору поляризації, міри організації електромагнітних полів.

«Краб є одним із найбільш вивчених високоенергетичних астрофізичних об’єктів у небі. Тому надзвичайно цікаво, що ми можемо дізнатися щось нове про цю систему, дивлячись крізь «поляризовані лінзи» IXPE», — сказала Мікела Негро, науковий співробітник Центру космічних польотів імені Годдарда NASA, пов’язаного з Університетом Меріленда, Балтімор, і співавтор автор дослідження.

По всій туманності IXPE виявив приблизно таку саму середню поляризацію, як це зробили Вайскопф і його колеги в 1970-х роках. Але за допомогою більш складних інструментів IXPE вдалося уточнити кут поляризації та вивчити різницю в поляризації на всьому об’єкті. Вчені бачать області сильної поляризації у зовнішніх областях туманності, на відстані світлових років від пульсара, де поляризація нижча.

Це дозволило вченим досліджувати не лише рентгенівське випромінювання від Крабовидної туманності, а й те, що надходить від самого пульсара або сфери магнітних полів навколо нього. Отримані дані свідчать про те, що ці рентгенівські промені виникають в області зовнішнього магнітного поля, яка називається областю «вітру», хоча досі невідомо, де саме і як. У магнітному полі поштовхи, створювані «вітром» пульсара, рухають частинки зі швидкістю, близькою до світла.