Für unsere Augen unsichtbar, können Röntgenstrahlen, die von dem heißen Gas ausgesandt werden, das einen Großteil des Universums füllt, Licht auf viele kosmische Geheimnisse werfen. Die ersten Beobachtungen dieses Gases durch die X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) von JAXA sind fertig und zeigen, dass die Mission eine wichtige Rolle bei der Aufklärung der Entwicklung des Universums und der Struktur der Raumzeit spielen wird.
Das von Japan geleitete Observatorium X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) hat seine ersten Daten veröffentlicht – eine Momentaufnahme eines Clusters aus Hunderten von Galaxien und ein Spektrum von Sterntrümmern in einer nahegelegenen Galaxie, die Wissenschaftlern ein detailliertes Verständnis ihrer chemischen Zusammensetzung ermöglichen . XRISM (ausgesprochen „crism“) wird von JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) in Zusammenarbeit mit der NASA und auch unter Beteiligung der ESA (Europäische Weltraumorganisation) geleitet. Es wurde am 6. September 2023 gestartet.
Richard Kelly, XRISM-Hauptforscher am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland: „Wir werden nicht nur Röntgenbilder dieser Quellen sehen, sondern auch ihre Zusammensetzung, Bewegung und ihren physikalischen Zustand untersuchen.“ XRISM soll Röntgenstrahlen mit Energien von bis zu 12.000 Elektronenvolt erfassen und die heißesten Regionen des Universums, die größten Strukturen und Objekte mit der stärksten Schwerkraft untersuchen. Zum Vergleich: Die Energie des sichtbaren Lichts beträgt 2 bis 3 Elektronenvolt.
Die ersten XRISM-Testbilder zeigen einen Galaxienhaufen und einen Supernova-Überrest – die Hülle, die nach der Explosion eines massereichen Sterns zurückbleibt. Darüber hinaus maß XRISM die Energie der vom Supernova-Überrest ausgehenden Röntgenstrahlen, um die darin enthaltenen chemischen Elemente aufzudecken. Die Beobachtungen zeigen die außergewöhnlichen Fähigkeiten der beiden wissenschaftlichen Instrumente von XRISM.
Resolve ist ein Mikrokalorimeter-Spektrometer, das von der NASA und der JAXA entwickelt wurde. Es arbeitet bei Temperaturen von nur einem Bruchteil eines Grads über dem absoluten Nullpunkt in einem kühlschrankgroßen Behälter mit flüssigem Helium. Wenn Röntgenstrahlen auf den 6 x 6 Pixel großen Detektor von Resolve treffen, erhitzen sie das Gerät um einen Betrag, der seiner Energie entspricht. Durch die Messung der Energie jedes einzelnen Röntgenstrahls liefert das Instrument bisher nicht verfügbare Informationen über die Quelle.
Das Missionsteam nutzte Resolve, um N132D zu untersuchen, einen Supernova-Überrest und eine der hellsten Röntgenquellen in der Großen Magellanschen Wolke, einer etwa 160.000 Lichtjahre entfernten Zwerggalaxie im südlichen Sternbild Dorado. Das Alter der expandierenden Trümmer wird auf etwa 3.000 Jahre geschätzt. Sie entstanden, als einem Stern mit etwa der 15-fachen Sonnenmasse der Treibstoff ausging und er explodierte.
Das Auflösungsspektrum zeigt Peaks im Zusammenhang mit Silizium, Schwefel, Kalzium, Argon und Eisen. Dies sind die detailliertesten Röntgenspektren eines Objekts, die jemals aufgenommen wurden. „Diese Elemente bildeten sich im ursprünglichen Stern und explodierten dann in einer Supernova“, sagte Brian Williams, XRISM-Projektwissenschaftler der NASA in Goddard. „Die Ausrüstung wird es uns ermöglichen, die Form dieser Linien auf eine bisher nicht mögliche Weise zu sehen und nicht nur den Gehalt der verschiedenen vorhandenen Elemente, sondern auch deren Temperatur, Dichte und Bewegungsrichtungen in einem noch nie dagewesenen Ausmaß zu bestimmen.“ der Genauigkeit. Von dort aus können wir Informationen über den ursprünglichen Stern und die Explosion zusammentragen.“
Das zweite XRISM-Instrument, Xtend, ist ein von JAXA entwickelter Röntgenscanner. Dadurch verfügt XRISM über ein größeres Sichtfeld und kann einen Bereich beobachten, der etwa 60 % größer ist als die durchschnittliche scheinbare Größe des Vollmonds. Xtend hat ein Röntgenbild von Abell 2319 aufgenommen, einem massiven Galaxienhaufen, der etwa 770 Millionen Lichtjahre entfernt im nördlichen Sternbild Schwan liegt. Es ist der fünfthellste Röntgensternhaufen am Himmel und befindet sich derzeit in einer großen Verschmelzung.
Der Cluster hat einen Durchmesser von 3 Millionen Lichtjahren und unterstreicht die umfangreichen Analysefähigkeiten von Xtend. Dieses bahnbrechende Bild ist ein umfassender Blick auf einen nahe gelegenen Galaxienhaufen namens Abell 2319. In Violett sehen wir Röntgenlicht von Millionen Grad heißem Gas, das zwischen Galaxien im Haufen filtert. Die Beobachtung dieses Gases hilft Astronomen, die Gesamtmasse eines Galaxienhaufens zu messen und so Informationen über die Entstehung und Entwicklung des Universums zu gewinnen.
„Schon bevor der Inbetriebnahmeprozess abgeschlossen war, übertraf Resolve unsere Erwartungen“, sagte Lillian Reichenthal, NASA-XRISM-Projektmanagerin bei Goddard. „Unser Ziel war es, mit dem Instrument eine spektrale Auflösung von 7 Elektronenvolt zu erreichen, aber jetzt, wo es im Orbit ist, erreichen wir 5. Das bedeutet, dass wir mit jedem von XRISM erhaltenen Spektrum noch detailliertere chemische Karten erhalten werden.“
Resolve funktioniert außergewöhnlich gut und liefert bereits spannende wissenschaftliche Erkenntnisse, trotz des Problems mit der Blendentür, die den Detektor verdeckt. Eine Tür, die den Detektor vor dem Start schützen sollte, öffnete sich nach mehreren Versuchen nicht wie geplant, blockierte niederenergetische Röntgenstrahlen und stoppte den Betrieb effektiv bei 1.700 Elektronenvolt, statt der vorgesehenen 300.
Die Indienststellungsphase des Schiffes wird bis Ende Januar abgeschlossen sein. Im Februar wird JAXA mit der Kalibrierung der Instrumente und der Demonstration ihrer Fähigkeiten beginnen. Die von der ESA im Rahmen eines öffentlichen Beobachtungsprogramms für Wissenschaftler auf der ganzen Welt bereitgestellte Zeit wird es europäischen Wissenschaftlern ermöglichen, die außergewöhnlichen wissenschaftlichen Möglichkeiten zu nutzen, die die beispiellosen hochauflösenden spektroskopischen Fähigkeiten von Resolve bieten. Wissenschaftler wurden bereits aufgefordert, Vorschläge für Beobachtungen einzureichen, die sie ab August 2024 durchführen möchten. Die Frist endet am 4. April 2024.
„Diese ersten Lichtbilder zeigen, dass XRISM sein Versprechen einlöst, eine neue Ära der hochauflösenden Heißgas-Bildgebungsspektroskopie im Universum einzuleiten“, sagt ESA-XRISM-Projektwissenschaftler Matteo Guainazzi. „Ich ermutige Wissenschaftler in den ESA-Mitgliedstaaten wärmstens, die einzigartigen Möglichkeiten von XRISM zu nutzen und Vorschläge für Beobachtungen mit diesem großartigen Teleskop einzureichen.“
Die mit XRISM gemachten Beobachtungen werden die Daten des XMM-Newton-Röntgenteleskops der ESA ergänzen und eine hervorragende Grundlage für Studien bieten, die im Rahmen der künftigen Großklassenmission NewAthena der ESA geplant sind. Letzteres soll die bestehenden Spektroskopie- und Durchmusterungs-Röntgenobservatorien in ihren wissenschaftlichen Fähigkeiten deutlich übertreffen.