Hitomi-missionen ser en kosmisk opskrift på det nærliggende univers

Før dens korte mission sluttede uventet i marts 2016, Japans Hitomi røntgenobservatorium fangede exceptionel information om bevægelserne af varm gas i Perseus-galaksehoben. Nu, takket være hidtil usete detaljer leveret af et instrument udviklet i fællesskab af NASA og Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), forskere har været i stand til at analysere mere dybt den kemiske sammensætning af denne gas, giver ny indsigt i de stjerneeksplosioner, der dannede de fleste af disse elementer og kastede dem ud i rummet.

Perseus klyngen, ligger 240 millioner lysår væk i dens navnebror konstellation, er den lyseste galaksehob i røntgenstråler og blandt de mest massive i nærheden af ​​Jorden. Den indeholder tusindvis af galakser, der kredser om en tynd varm gas, alle bundet sammen af ​​tyngdekraften. Gassen er i gennemsnit 90 millioner grader Fahrenheit (50 millioner grader Celsius) og er kilden til klyngens røntgenstråling.

Ved at bruge Hitomis højopløsnings Soft X-ray Spectrometer (SXS) instrument, forskere observerede klyngen mellem 25. februar og 6. marts, 2016, opnår en samlet eksponering på næsten 3,4 dage. SXS observerede et hidtil uset spektrum, afslører et landskab af røntgentoppe udsendt fra forskellige kemiske grundstoffer med en opløsning omkring 30 gange bedre end tidligere set.

I et papir offentliggjort online i tidsskriftet Natur den 13. nov. videnskabsholdet viser, at proportionerne af grundstoffer fundet i klyngen er næsten identiske med, hvad astronomer ser i Solen.

"Der var ingen grund til at forvente, at i første omgang, " sagde medforfatter Michael Loewenstein, en forsker ved University of Maryland ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Perseus-klyngen er et andet miljø med en anden historie end vores sols. Når alt kommer til alt, klynger repræsenterer en gennemsnitlig kemisk fordeling fra mange typer stjerner i mange typer galakser, der er dannet længe før Solen."

En gruppe af grundstoffer er tæt knyttet til en bestemt klasse af stjerneeksplosion, kaldet Type Ia supernovaer. Disse eksplosioner menes at være ansvarlige for at producere det meste af universets chrom, mangan, jern og nikkel-metaller samlet kendt som "jernspidselementer".

Type Ia supernovaer medfører total ødelæggelse af en hvid dværg, en kompakt rest produceret af stjerner som Solen. Selvom det er stabilt i sig selv, en hvid dværg kan gennemgå en løbsk termonuklear eksplosion, hvis den er parret med et andet objekt som en del af et binært system. Dette sker enten ved at fusionere med en ledsagende hvid dværg eller, når parret med en nærliggende normal stjerne, ved at stjæle noget af partnerens gas. Det overførte stof kan samle sig på den hvide dværg, gradvist at øge sin masse, indtil den bliver ustabil og eksploderer.

Et vigtigt åbent spørgsmål har været, om den eksploderende hvide dværg er tæt på denne stabilitetsgrænse - omkring 1,4 solmasser - uanset dens oprindelse. Forskellige masser producerer forskellige mængder af jernspidsmetaller, så en detaljeret opgørelse af disse elementer over et stort område af rummet, som Perseus-galaksehoben, kunne indikere, hvilke slags hvide dværge der blæste oftere i luften.

"Det viser sig, at du har brug for en kombination af Type Ia supernovaer med forskellige masser i eksplosionsøjeblikket for at producere de kemiske mængder, vi ser i gassen i midten af ​​Perseus-klyngen, " sagde Hiroya Yamaguchi, papirets hovedforfatter og en UMD-forsker ved Goddard. "Vi bekræfter, at mindst omkring halvdelen af ​​Type Ia supernovaer skal have nået næsten 1,4 solmasser."

Taget sammen, resultaterne tyder på, at den samme kombination af Type Ia supernovaer, der producerer jernspidselementer i vores solsystem, også producerede disse metaller i klyngens gas. Dette betyder, at både solsystemet og Perseus-hoben oplevede stort set lignende kemisk udvikling, hvilket tyder på, at processerne, der danner stjerner - og de systemer, der blev til Type Ia supernovaer - var sammenlignelige begge steder.

"Selvom dette kun er et eksempel, der er ingen grund til at tvivle på, at denne lighed kan strække sig ud over vores sol og Perseus-hoben til andre galakser med andre egenskaber, " sagde medforfatter Kyoko Matsushita, professor i fysik ved Tokyo University of Science.

Selvom det er kortvarigt, Hitomi-missionen og dens revolutionære SXS-instrument - udviklet og bygget af Goddard-forskere, der arbejder tæt sammen med kolleger fra flere institutioner i USA, Japan og Holland - har demonstreret løftet om røntgenspektrometri med høj opløsning.

"Hitomi har tilladt os at dykke dybere ned i historien om en af ​​de største strukturer i universet, Perseus galaksehoben, og udforske, hvordan partikler og materialer opfører sig under de ekstreme forhold der, " sagde Goddards Richard Kelley, den amerikanske hovedefterforsker for Hitomi-samarbejdet. "Vores seneste beregninger har givet et indblik i, hvordan og hvorfor visse kemiske grundstoffer er fordelt i galakser ud over vores egen."

JAXA- og NASA-forskere arbejder nu på at genvinde de videnskabelige muligheder, der gik tabt i Hitomi-uheldet, ved at samarbejde om X-ray Astronomy Recovery Mission (XARM), forventes at blive lanceret i 2021. Et af dets instrumenter vil have funktioner svarende til SXS fløjet på Hitomi.

Hitomi lanceret den 17. februar, 2016, og blev ramt af en anomali, der afsluttede missionen 38 dage senere. Hitomi, som oversættes til "øjets pupil, " var før lanceringen kendt som ASTRO-H. Missionen blev udviklet af Institute of Space and Astronautical Science, en division af JAXA. Det blev bygget i fællesskab af et internationalt samarbejde ledet af JAXA, med bidrag fra Goddard og andre institutioner i USA, Japan, Canada og Europa.