Das NASA-Raumschiff NuSTAR gewährt Einblicke in den Pulsar-Windnebel 3C 58

Daten vom NuSTAR-Raumschiff der NASA und dem Chandra-Röntgenobservatorium gewähren Einblicke in den Mechanismus der Entstehung und Entwicklung des Pulsar-Wind-Nebels (PWN).

Neue Daten aus Röntgenbeobachtungen mit dem NuSTAR-Raumfahrzeug der NASA und aus dem Chandra-Röntgenobservatorium haben weitere Einblicke in die Natur eines Pulsarwindnebels (PWN) mit dem Namen 3C 58 geliefert. Die Ergebnisse der Analyse könnten auch mehr Licht auf Partikel werfen Verteilung in der Population bekannter PWNe - Nebel, die vom Wind eines Pulsars angetrieben werden.

NuSTAR-Bilder von 3C 58 in sechs Energiebändern. Die Energiebänder für die Bilder sind 3 bis 4,5 keV, 4,5 bis 7 keV, 7 bis 12 keV, 12 bis 20 keV, 20 bis 40 keV und 40 bis 60 keV von links nach rechts und von oben nach unten. Die Bilder werden geglättet und die Skalen werden zur besseren Lesbarkeit auf den Wert 1 eingestellt. Chandra-Weißkonturen werden im oberen linken Bereich als Referenz überlagert (An et al., 2019).

Wenn der Pulsarwind, der sich aus geladenen Teilchen zusammensetzt, mit der Umgebung des Pulsars zusammenstößt, die aus den äußeren Schichten des Sterns besteht - insbesondere mit der sich langsam ausdehnenden Supernova-Ejekta -, entwickelt er eine PWN.

Beobachtungen von PWNe haben gezeigt, dass die Partikel in diesen Objekten ihre Energie durch Strahlung verlieren und mit zunehmendem Abstand vom Zentralpulsar weniger energiereich werden. Röntgenuntersuchungen von PWNe haben das Potenzial, wichtige Informationen über den Partikelfluss in diesen Nebeln aufzudecken.

PWN 3C 58 - etwa 6.500 bis 10.000 Lichtjahre von der Erde entfernt - ist ein junges PWN mit Torus-Jet-Struktur und wird vom 65-Millisekunden-Pulsar PSR J0205 + 6449 angetrieben.

Das Objekt wurde intensiv im weichen Röntgenband (unter 8,0 keV) untersucht, sodass sein weiches Röntgenspektrum gut modelliert ist. Die Astronomen sind jedoch daran interessiert zu überprüfen, ob sich das Spektrum auf ein hartes Röntgenband über 10 keV erstreckt.

Um dies zu untersuchen, verwendete eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Hongjun An von der Chungbuk National University in Cheongju, Südkorea, das NuSTAR-Raumschiff (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), um eine Spektralanalyse von 3C 58 mit bis zu 20 keV durchzuführen. Sie analysierten auch die Chandra-Daten erneut, um sie mit den Ergebnissen von NuSTAR zu vergleichen.

Die Astronomen maßen die energieabhängige Morphologie, die räumliche Variation des Spektralindex und ein räumlich integriertes breitbandiges Röntgenspektrum von 3C 58.

"Diese Messungen werden verwendet, um Eigenschaften von 3C 58 mit Synchrotronstrahlungsszenarien abzuleiten."

Die Ergebnisse zeigen, dass die Größe des 3C 58 mit zunehmender Energie abnimmt. Die Forscher glauben, dass dies auf den Synchrotron-Abbrand-Effekt zurückzuführen ist - Strahlung, die Partikel emittieren, wenn sie in kontinuierlicher Beschleunigung sind, weil sie einem gekrümmten Pfad folgen. Die Daten zeigen auch, dass das Spektrum in äußeren Bereichen dieser PWN weicher ist.

Darüber hinaus fanden die Forscher einen Hinweis auf eine spektrale Unterbrechung des räumlich integrierten Röntgenspektrums und eine Unterbrechung des radialen Verlaufs des Spektralindex von 3C 58.

Abbildung des NuSTAR-Röntgenteleskops der NASA (Harrison.F, Caltech, NASA)

Laut der Studie weist eine Unterbrechung des radialen Profils auf eine maximale Elektronenenergie von etwa 200 TeV hin, was größer ist als bisher angenommen. In Bezug auf die Spektralunterbrechung deuten die Daten auf eine maximale Elektronenenergie von ungefähr 140 TeV bei einer angenommenen Magnetfeldstärke von 80 μG hin. Zusätzlich wurde die Stärke des Magnetfeldes in 3C 58 zwischen 30 und 200 μG berechnet.

Die Astronomen kamen zu dem Schluss, dass ihre Studie unser Wissen über Beschleunigungs- und Emissionsmodelle von PWNe erweitern könnte. Sie stellten fest, dass im Fall von 3C 58 die gut gemessene spektrale Breitbandenergieverteilung und die mögliche Röntgenunterbrechung neue Erkenntnisse über die Teilchenbeschleunigung und den Teilchenfluss in PWNe liefern können.

Ursprüngliche Forschung: Hongjun An. NuSTAR-Röntgenstudien des Pulsarwindnebels 3C ~ 58. arXiv: 1904.05991 [astrophysikalisch]. arxiv.org/abs/1904.05991