Det har gått drygt ett år sedan det ballongburna röntgeninstrumentet PoGO+ skickades upp för att studera Krabbnebulosan. Nu i augusti publicerades de första resultaten från mätningarna i Scientific Reports. Gåtan kring ursprunget till den starka röntgenstrålningen från Krabbnebulosans inre närmar sig nu sin lösning. Vi har pratat med en av forskarna i det KTH-baserade forskarlaget om de nya rönen.

År 1054 observerade kinesiska astronomer ett spektakulärt fenomen i den stjärnbild vi idag benämner Oxen; ett sken som var så starkt att det under nästan en månad syntes på himlen dagtid, och under många månader därefter syntes på natthimlen.

Idag vet vi att det var en supernova, och Krabbnebulosan är resterna av denna kosmiska explosion. I modern tid har astronomer även kunnat visa att nebulosan är en källa till strålning i ett mycket brett spektrum, som sträcker sig från radiovågor till gammastrålning.

Krabbnebulosan är ett komplext system, skriver forskarna i den nya studien. I dess centrum finns en pulsar, alltså en mycket snabbt roterande neutronstjärna, och i nebulosans inre finns en jetstråle av gas som slungas ut från dess centrum. Under de fem dagar 2016 som PoGO+ färdades mellan Kiruna och Kanada mätte instrumentet polariseringen på strålningen från en stark röntgenkälla i nebulosans innersta.

Genom att mäta röntgenstrålningens polarisering kan astronomerna – ett internationellt team som leds av Mark Pearce vid KTH i Stockholm – studera mekanismerna bakom dess källa. Forskningsrapporten finns hos Scientific Reports och på ArXiv.org; se även pressmeddelandet hos KTH.

Krabbnebulosan i röngen
Krabbnebulosan i röntgen, avbildad med rymdteleskopet Chandra. Pulsaren är omgiven av två ringar med gas. I den inre ringens magnetfält accelereras laddade partiklar vilket ger upphov till den observerade synkrotronstrålningen. Pulsarens starka magnetfält och snabba rotation leder till att materia kastas ut från dess poler i form av två jetstrålar. Bild: NASA/CXC/SAO.

Krabbnebulosan har länge ansetts vara en pålitlig och stadig källa, ett standardljus för röntgenstrålning. Men på senare år har astronomer överraskats av stora utbrott i både gammastrålning och polariserat ljus. Vad ligger bakom Krabbans utbrott är ännu en gåta men forskarna hoppas att mätningarna med PoGO+ kan hjälpa belysa det.

De nya rönen visar att strålningen sänds ut från en kompakt källa, eftersom strukturen på magnetfältet i detta område är så pass välordnad. Kring pulsaren formar magnetfältet sig som två koncentriska torusar. I denna doughnut-liknande struktur fångas elektroner in och accelereras vilket ger upphov till den observerade strålningen. Allt tyder på att röntgenstrålningen uppstår just där, slår forskarna fast.

Det är strålningens polarisering som avslöjar källan, berättar Mette Friis, postdoc vid KTH och medlem i forskarlaget.

– Våra resultat visar att strålningen uppstår nära pulsaren, eftersom ljuset är polariserat i samma riktning som pulsarens magnetfält. Det är alltså starkt påverkat av magnetfältet. Däremot så kan vi inte mäta någon strålning från själva pulsaren, eftersom den strålningen är helt fångad i magnetfältet, säger Mette Friis.

Forskarna tror inte heller på att polariseringen uppstår i den omkringliggande nebulosan.

– Det är svårt att föreställa sig att något annat område skulle kunna vara så pass “ordnat” än nära pulsaren. Det är bara där ett tillräckligt storskaligt och dominant magnetfält förekommer, berättar Mette Friis.

Kompositbild av krabbnebulosan
Kompositbild av Krabbnebulosan, där våglängderna sträcker sig från radiovågor till röntgenstrålning. Bild: NASA/ESA/J. DePasquale (STScI).

Ballongteleskopets mätningar ger nya insikter i de olika fenomen som ger Krabban sin lyskraft. Nebulosan skapas genom att pulsaren knuffar ut en vind som sedan snabbt expanderar in i lämningarna efter den supernova som gav upphov till pulsaren. Vinden expanderar snabbare än ljudets hastighet vilket ger upphov till chockfronter, ungefär på samma sätt som en ljudbang, berättar Mette Friis. För att reda ut vilken påverkan dessa chockvågor har på observationerna har forskarlaget också sneglat på hur Krabban ser ut i synligt ljus.

– Vi kan inte observera detaljerna i röntgenstrålningens spektrum, men i synligt ljus är det möjligt att uppnå bättre upplösning. Sådana observationer uppvisar en hög polariseringsandel just vid chockfronterna. Vinkeln på polariseringen liknar dessutom den som vi ser med PoGO+. Så det är troligt att chockvågorna bidrar signifikant till vår signal, säger Mette Friis.

Några frågetecken kvarstår än. Det finns ingen given förklaring till hur röntgenstrålning uppstår vid själva pulsaren. Det kan dock vara enklare att ta reda på det än man tidigare trott, menar Mette Friis.

– Frågan är fortfarande öppen. Men polariseringen som vi ser är så pass lik den för det synliga ljuset att vi kan använda optiska mätningar för att utveckla modeller. Sådana data är mycket enklare att ta fram, säger hon.

För att reda ut vad som egentligen händer i Krabban hoppas Mette Friis på nya instrument som kan mäta vid högre energier än vad PoGO+ kan detektera. Det skulle behövas för att kunna avgöra om högenergistrålning från Krabbnebulosan uppstår när partiklar och antipartiklar annihilerar varandra, eller om även den skapas av partiklar i de starka magnetfältet, berättar hon.

– Vi behöver även bättre simuleringar av pulsaren och nebulosans vind, vilket huvudsakligen är en fråga om datorkraft.

Det blir troligen inga fler flygningar med PoGO+. Det berättade Mark Pearce under konferensen Astronomdagarna i Kiruna den 13 september. Men KTH-teamet är långt ifrån klara med att att undersöka universum genom polariserade röntgenglasögon. Snart släpps en analys av vad PoGO+ såg när det riktade mot Vintergatans näst mest berömda svarta hål, Cygnus X-1. Teamet spelar en nyckelroll i det planerade rymdteleskopet XIPE, som är ett av tre nya rymdprojekt som just nu utvärderas av ESA, och de driver även svenska satellitprojektet SPHiNX, ett av tre initiativ som kan bli Sveriges nästa nationella forskningssatellit.

På Twitter kan du följa Mark Pearce där han löpande rapporterar om alla dessa projekt.