Kunstnerens konsept av NuSTAR på bane. Kreditt: NASA/JPL-Caltech
En designinnfall i røntgenobservatoriet har gjort det mulig for astronomer å bruke tidligere uønsket lys til å studere enda flere kosmiske objekter enn før.
I nesten 10 år, NASA's NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) røntgenromobservatorium har studert noen av de høyeste energiobjektene i universet, som kolliderende døde stjerner og enorme sorte hull som fester seg med varm gass. I løpet av den tiden har forskere måttet håndtere strølys som lekker inn gjennom sidene av observatoriet, noe som kan forstyrre observasjoner omtrent som ekstern støy kan overdøve en telefonsamtale.
Men nå har teammedlemmer funnet ut hvordan de kan bruke røntgenlyset for å lære om objekter i NuSTARs perifere syn, samtidig som de utfører normale målrettede observasjoner. Denne utviklingen har potensial til å multiplisere innsikten som NuSTAR gir. En ny vitenskapsoppgave i Astrofysisk Journal beskriver den første bruken av NuSTARs strølysobservasjoner for å lære om et kosmisk objekt – i dette tilfellet en nøytronstjerne.
Klumper av materiale som er igjen etter at en stjerne kollapser, nøytronstjerner er noen av de tetteste objektene i universet, nest etter sorte hull. Deres kraftige magnetfelt fanger gasspartikler og fører dem mot nøytronstjernens overflate. Ettersom partiklene akselereres og får energi, frigjør de høyenergirøntgenstråler som NuSTAR kan oppdage.
Denne illustrasjonen viser NASAs NuSTAR røntgenteleskop i verdensrommet. To klumpete komponenter er atskilt av en 33 fot (10 meter) struktur kalt en utplasserbar mast, eller bom. Lys samles i den ene enden av bommen og fokuseres langs dens lengde før det treffer detektorer i den andre enden. Kreditt: NASA/JPL-Caltech
Den nye studien beskriver et system kalt SMC X-1, som består av en nøytronstjerne som kretser rundt en levende stjerne i en av to små galakser som kretser rundt Melkeveien (Jordens hjemmegalakse). Lysstyrken til SMC X-1s røntgenutgang ser ut til å variere voldsomt når den ses med teleskoper, men flere tiår med direkte observasjoner av NuSTAR og andre teleskoper har avslørt et mønster for svingningene. Forskere har pekt på flere årsaker til at SMC X-1 endrer lysstyrke når de studeres med røntgenteleskoper. For eksempel dimper røntgenstrålenes lysstyrke når nøytronstjernen dykker bak den levende stjernen for hver bane. I følge avisen var strølysdataene sensitive nok til å fange opp noen av disse godt dokumenterte endringene.
"Jeg tror dette papiret viser at denne tilnærmingen med strølys er pålitelig, fordi vi observerte lysstyrkefluktuasjoner i nøytronstjernen i SMC X-1 som vi allerede har bekreftet gjennom direkte observasjoner," sa McKinley Brumback, en astrofysiker ved Caltech i Pasadena, California. , og hovedforfatter av den nye studien. "Fremover ville det være flott om vi kunne bruke strølysdataene til å se på objekter når vi ikke allerede vet om de jevnlig endrer lysstyrke og potensielt bruke denne tilnærmingen til å oppdage endringer."
Form og funksjon
Den nye tilnærmingen er mulig på grunn av NuSTARs form, som ligner på hantel eller hundebein: Den har to klumpete komponenter i hver ende av en smal, 33 fot lang (10 meter lang) struktur kalt en utplasserbar mast, eller bom. Vanligvis peker forskere en av de store endene – som inneholder optikken, eller maskinvaren som samler røntgenstråler – mot objektet de ønsker å studere. Lyset beveger seg langs bommen til detektorene, plassert i den andre enden av romfartøyet. Avstanden mellom de to er nødvendig for å fokusere lyset.
Men strølys når også detektorene ved å gå inn gjennom sidene av bommen og omgå optikken. Det vises i NuSTARs synsfelt sammen med lys fra det objektet teleskopet direkte observerer, og er ofte ganske enkelt å identifisere med øyet: Det danner en sirkel av svakt lys som kommer ut fra sidene av bildet. (Ikke overraskende er strølys et problem for mange andre rom- og bakkebaserte teleskoper.)
En gruppe medlemmer av NuSTAR-teamet har brukt de siste årene på å skille strølyset fra forskjellige NuSTAR-observasjoner. Etter å ha identifisert lyse, kjente røntgenkilder i periferien av hver observasjon, brukte de datamodeller for å forutsi hvor mye strølys som skulle vises basert på hvilket lyst objekt som var i nærheten. De så også på nesten alle NuSTAR-observasjoner for å bekrefte det avslørende tegnet på strølys. Teamet opprettet en katalog med rundt 80 gjenstander som NuSTAR hadde samlet strølysobservasjoner for, og kalte samlingen "StrayCats."
"Se for deg å sitte i en stille kinosal, se et drama og høre eksplosjonene i actionfilmen som spilles ved siden av," sa Brian Grefenstette, seniorforsker ved Caltech og NuSTAR-teammedlemmet som leder StrayCats-arbeidet. «Tidligere var det slik det løse lyset var – en distraksjon fra det vi prøvde å fokusere på. Nå har vi verktøyene til å gjøre den ekstra støyen om til nyttige data, og åpner en helt ny måte å bruke NuSTAR for å studere universet.»
Naturligvis kan ikke strølysdata erstatte direkte observasjoner fra NuSTAR. Bortsett fra at strølys er ufokusert, er mange objekter som NuSTAR kan observere direkte for svake til å vises i strølyskatalogen. Men Grefenstette sa at flere Caltech-studenter har finkjemmet dataene og funnet tilfeller av rask lysere fra perifere objekter, som kan være en rekke dramatiske hendelser, for eksempel termonukleære eksplosjoner på overflaten til nøytronstjerner. Å observere frekvensen og intensiteten til en nøytronstjernes endringer i lysstyrke kan hjelpe forskere med å tyde hva som skjer med disse objektene.
"Hvis du prøver å se etter et mønster i den langsiktige oppførselen eller lysstyrken til en røntgenkilde, kan strølysobservasjonene være en fin måte å sjekke inn oftere og etablere en grunnlinje," sa Renee Ludlam, en NASA Hubble Fellowship Program Einstein-stipendiat ved Caltech og medlem av StrayCats-teamet. "De kan også la oss fange merkelig oppførsel i disse objektene når vi ikke forventer dem eller når vi normalt ikke ville være i stand til å peke NuSTAR direkte mot dem. Strølysobservasjonene erstatter ikke direkte observasjoner, men mer data er alltid bra.»
Referanse: "Extending the Baseline for SMC X-1's Spin and Orbital Behavior with NuSTAR Stray Light" av McKinley C. Brumback, Brian W. Grefenstette, Douglas JK Buisson, Matteo Bachetti, Riley Connors, Javier A. García, Amruta Jaodand, Roman Krivonos, Renee Ludlam, Kristin K. Madsen, Guglielmo Mastroserio, John A. Tomsick og Daniel Wik, 24. februar 2022, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac4d24
Mer om misjonen
NuSTAR ble lansert 13. juni 2012. Et Small Explorer-oppdrag ledet av Caltech og administrert av JPL for NASAs Science Mission Directorate i Washington ble den utviklet i samarbeid med Danish Technical University (DTU) og den italienske romfartsorganisasjonen (ASI). Teleskopoptikken ble bygget av Columbia University, NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland og DTU. Romfartøyet ble bygget av Orbital Sciences Corp. i Dulles, Virginia. NuSTARs misjonsoperasjonssenter er på University of California, Berkeley, og det offisielle dataarkivet er på NASAs High Energy Astrophysics Science Archive Research Center. ASI gir oppdragets bakkestasjon og et speildataarkiv. Caltech administrerer JPL for NASA.
