XMM-Newton: Europas kraftfulla röntgenteleskop

Bilden ovan visar mitten av Vintergatans galax som ses av XMM-Newton i röntgenstrålar. (Bildkredit: ESA / XMM-NEWTON / G. PONTI ET AL. 2015)

År 1999 lanserade European Space Agency (ESA) det som byrån kallar 'det mest kraftfulla röntgenteleskop som någonsin placerats i omloppsbana'. I nästan två decennier har Newton-teleskopet X-Ray Multi-Mirror Mission (XMM) undersökt det heta röntgenuniversumet, jagat efter saknade ämnen, övervakat svarta hål och deras matvanor, undersökt galaxernas ljusa centrum och till och med observerat planeter i solsystemet. Låt oss ta en titt på ESA: s flaggskepp för europeisk röntgenastronomi.

Uppdraget

XMM-Newton bär tre avancerade röntgenteleskop. Var och en innehåller 58 högprecisiona inkapslade speglar, ger XMM ett totalt röntgensamlingsområde nästan storleken på en tennisbana, även om de bara är 30 centimeter breda.

Det beror på att varje fatformat teleskop har 58 plattor-tunna speglar böjda i cylindrar och kapslade inuti varandra som ryska dockor. Speglarna sitter bara 25 mikron från varandra, ungefär en fjärdedel bredden av ett människohår. Tillsammans gör dessa speglar det möjligt för astronomer att göra långa oavbrutna observationer med oöverträffad noggrannhet.

Teleskopet fungerar tillsammans med kameror, en spektrometer och en optisk/ultraviolett bildskärm. Tre European Photon Imaging Cameras (EPIC) kan upptäcka svag röntgenstrålning. Reflection Grating Spectrometer analyserar våglängder mer detaljerat än EPIC.

Det sista instrumentet, den optiska/UV-monitorn, som ESA beskriver som 'en nedskalad version av rymdteleskopet Hubble', kan se röntgenstrålar och även i de ultravioletta och synliga våglängderna. Bildskärmens 30-centimeter visningsområde har effekten av ett 4-meters teleskop på jorden helt enkelt för att den flyger ovanför de störande effekterna av jordens atmosfär.

XMM-Newton lanserades den 10 december 1999 från ESA: s Kourou Spaceport i Franska Guyana och placerades i en 48-timmars bana runt jorden i en mycket elliptisk bana. Den mycket excentriska bana håller instrumentet utanför strålningsbanden som omger jorden i 40 timmar, samtidigt som de erbjuder de längsta möjliga observationsperioderna som tillbringar större delen av sin tid utanför jordens skugga. Orbitalperioden, som är exakt dubbelt så lång som jordens rotationsperiod, gör det också möjligt för rymdfarkosten att bibehålla den optimala kontakten med markstationerna vid Kourou och Yatharaga, Australien .

Förutom sin vetenskapliga akronym, namngavs XMM-Newton-teleskopet för att hedra en av världens mest berömda forskare, Sir Isaac Newton. Newtons arbete inom matematik, optik och fysik lade grunden för modern vetenskap eftersom han hade stor inverkan på teoretisk och praktisk astronomi.

'Vi har valt det här namnet eftersom Sir Isaac Newton var mannen som uppfann spektroskopi och XMM är ett spektroskopimission', säger Roger Bonnet, ESA: s vetenskapsdirektör, i en påstående . 'Namnet Newton är förknippat med det fallande äpplet, som är symbolen för gravitationen, och med XMM hoppas jag att vi kommer att hitta ett stort antal svarta hålskandidater som naturligtvis är associerade med gravitationsteorin. Det fanns inget bättre val av namn än XMM-Newton för detta uppdrag. '

Även om teleskopet är nästan två decennier gammalt är nedbrytningen av dess utrustning ganska måttlig, enligt ESA. Den förutspådda instrumentprestandan bör göra att forskningen kan fortsätta i ytterligare ett decennium. Den mest begränsande faktorn är bränsle. Med konservativa uppskattningar bör XMM-Newton ta slut på bränsle runt 2029, vilket ger den en livstid på tre decennier. ESA arbetar med ett nytt instrument, Athena röntgenobservatorium , med en planerad lansering 2028.

Vetenskapen

XMM-Newton lanserades med avsikt att studera några av de mest våldsamma rymdfenomenen. Det var utformat för att i detalj undersöka röntgenemissionsegenskaperna för kosmiska källor som galaxgrupper, galaxer med starburst, aktiva galaxkärnor, svarta hål, neutronstjärnor och pulsarer.

'Vissa astronomiska källor är framträdande röntgenstrålare, men svaga eller till och med osynliga i andra delar av det elektromagnetiska spektrumet,' enligt NASA . 'Därför är högkvalitativa röntgenobservationer av dessa föremål mycket viktiga och kan inte ersättas av data som erhållits genom andra observationstekniker.'

XMM-Newton kan också studera supernovarester, det heta materialet mellan stjärnorna och sval gas som absorberar röntgenstrålar. Det kan till och med studera objekt i solsystemet, såsom kometer och auroralaktiviteten på gasjättar.

Europeiska rymdorganisationen

Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton har hittat en pulsar-de snurrande resterna av en en gång massiv stjärna-som är 1000 gånger ljusare än man tidigare trodde var möjligt.(Bildkredit: ESA/XMM-Newton; NASA/Chandra och SDSS)

Efter 17 års observation hade forskare publicerat mer än 5000 vetenskapliga artiklar i refererad litteratur.

'XMM-Newton har etablerat sig som en av de mest produktiva astronomiska strävandena i ESA: s historia', enligt en uttalande från ESA . 'Baserat på data som samlats in genom XMM-Newton-observationer har forskningsstudier som beskriver upptäckter inom nästan alla områden inom astronomi tagits fram.'

Medan XMM-Newton har producerat en mängd enastående forskning, inkluderar några höjdpunkter:

En pulsar som växlar mellan 'ljusa' och 'tysta' lägen. Samtidiga observationer av pulsaren PSR B0943+10 med XMM-Newton och markbaserade radioteleskop avslöjar att när det är ljust i röntgen är det tyst i radiovågor och vice versa.
'Beteendet hos denna pulsar är ganska häpnadsväckande. Det är som om den har två distinkta personligheter, säger studieförfattaren Ben Stappers, som är vid University of Manchester School of Physics and Astronomy.

Saknar intergalaktiskt material. Medan mörk materia och mörk energi utgör cirka 25 respektive 70 procent av universum, utgör vanlig ”baryonisk” materia allt annat. Men de sista 5 procenten kan vara en utmaning att spåra. Genom att använda XMM-Newton för att titta på en massiv galax med ett supermassivt svart hål i mitten kunde forskare hitta tecken på den diffusa, svåra gasen som ligger mellan solen och den avlägsna galaxen.
'Upptäckten av de saknade baryonerna med XMM-Newton är det spännande första steget för att fullt ut karakterisera omständigheterna och strukturerna där dessa baryoner finns', säger medförfattare Jelle Kaastra, från Dutch Institute for Space Research, i en påstående .

Ett svart hål som tappar en stjärna i ett rekordår. Med hjälp av XMM-Newton tillsammans med NASA: s Chandra röntgenobservatorium och Neil Gehrels Swift Observatory fann forskare att en stjärna slukades av ett svart hål under ett decennium. Den omfattande tidsramen antyder att det antingen var den mest massiva stjärnan som någonsin rivits sönder, eller första gången en mindre stjärna strimlades helt.
'Vi har bevittnat en stjärnas spektakulära och långvariga bortgång', säger huvudförfattaren Dacheng Lin från University of New Hampshire i Durham, New Hampshire, i en påstående . 'Dussintals tidvattenstörningar har upptäckts sedan 1990 -talet, men inga som förblev ljusa nästan lika länge som den här.'

Jupiters oregelbundna auroror. Auroral -displayer orsakas av strömmar av laddade atompartiklar som kolliderar med de atmosfäriska skikten på en planet, måne eller stjärna, som i allmänhet filtreras till deras poler. På jorden efterliknar de två uppsättningarna av auroror varandra; när norrskenet lyser upp gör de södra också. Men när forskare använde XMM-Newton och Chandra för att observera högenergiröntgenstrålarna som produceras av aurororna vid Jupiters poler, fann de en annan historia. Medan de södra aurororna pulserar var 11: e minut, blossade de vid nordpolen oregelbundet.
'Det här är ett genombrottsfynd, och det kunde inte ha gjorts utan ESA: s XMM-Newton,' ESA-projektforskare för XMM-Newton Norbert Schartel sade i ett uttalande . 'Rymdobservatoriet var avgörande för den här studien och gav detaljerade data med en hög spektral upplösning så att laget kunde utforska auroras livfulla färger och ta reda på detaljer om de involverade partiklarna: om de rör sig snabbt, oavsett om de en syre- eller svaveljon, och så vidare. '

Ytterligare resurs