Quelle: ESA 25. August 2023.

25. August 2023 – XRISM ist eine Zusammenarbeit zwischen der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und der NASA, an der auch die ESA maßgeblich beteiligt ist. Der Start wird live auf Japanisch und Englisch auf dem YouTube-Kanal der JAXA übertragen.

Im Gegenzug für die Bereitstellung von Hardware und wissenschaftlicher Beratung erhält die ESA 8 % der verfügbaren Beobachtungszeit von XRISM. Dies wird es europäischen Wissenschaftler*innen ermöglichen, Himmelsquellen zur Beobachtung im Röntgenlicht vorzuschlagen und Durchbrüche in diesem Bereich der Astronomie zu erzielen.

„Die Röntgenastronomie ermöglicht uns die Untersuchung der energiereichsten Phänomene im Universum. Sie birgt den Schlüssel zur Beantwortung wichtiger Fragen der modernen Astrophysik: wie sich die größten Strukturen im Universum entwickeln, wie die Materie, aus der wir letztlich bestehen, im Kosmos verteilt wurde und wie Galaxien von massereichen schwarzen Löchern in ihrem Zentrum geformt werden“, sagt Matteo Guainazzi, ESA-Projektwissenschaftler für XRISM.

„XRISM wird eine wertvolle Brücke zwischen den anderen Röntgenmissionen der ESA sein: XMM-Newton, die nach 24 Jahren im All immer noch in Betrieb ist, und Athena, die Ende der 2030er-Jahre starten soll.“

Enthüllung des heißen und energiegeladenen Universums
Wenn wir in den Himmel schauen, sehen wir Sterne und Galaxien, aber diese sagen uns relativ wenig über die Funktionsweise des Universums. Für unsere Augen unsichtbar kann Gas, das Röntgenstrahlung emittiert und sich in und zwischen den Sternen und Galaxien befindet, viel mehr enthüllen.

Röntgenstrahlen werden bei den energiereichsten Explosionen und an den heißesten Orten des Universums freigesetzt. Dazu gehört das superheiße Gas, das die größten Bausteine des Universums umgibt: Galaxienhaufen. JAXA hat XRISM entwickelt, um Röntgenstrahlung dieses Gases aufzuspüren und den Astronomen*innen zu helfen, die Gesamtmasse dieser Systeme zu messen. Dies wird Aufschluss über die Entstehung und Entwicklung des Universums geben.

Die XRISM-Beobachtungen von Galaxienhaufen werden auch Aufschluss darüber geben, wie das Universum die chemischen Elemente produziert und verteilt hat. Das heiße Gas in den Haufen ist ein Überbleibsel der Geburt und des Todes von Sternen im Laufe der Geschichte des Universums. Durch die Untersuchung der von dem Gas emittierten Röntgenstrahlen wird XRISM herausfinden, welche „Metalle“ (Elemente, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium) es enthält, und kartieren, wie das Universum mit diesen angereichert wurde.

In der Zwischenzeit wird XRISM einzelne Objekte, die Röntgenstrahlung emittieren, näher betrachten, um die Grundlagen der Physik zu erforschen. Die Mission wird das Röntgenlicht von unglaublich dichten Objekten wie den aktiven supermassereichen schwarzen Löchern messen, die sich im Zentrum mancher Galaxien befinden. So können wir verstehen, wie die Objekte die umgebende Raumzeit verzerren und in welchem Ausmaß sie ihre Wirtsgalaxien durch „Winde“ von Teilchen beeinflussen, die mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen werden.

Europäische Beiträge zu einer globalen Anstrengung
„Die ESA und die europäische Gemeinschaft sind seit Langem an den Hochenergie-Weltraumteleskopen der JAXA beteiligt“, erklärt Matteo. „Die Fortsetzung dieser Partnerschaft durch XRISM bringt beiden Raumfahrtbehörden enorme Vorteile.“

Die Community der europäischen Hochenergieastronomie ist hochqualifiziert. Die Mitglieder waren an der Festlegung der wissenschaftlichen Ziele von XRISM beteiligt und wurden von der JAXA beauftragt, viele der kosmischen „Testobjekte“ auszuwählen, die die Mission beobachten wird, um ihre Leistung zu überprüfen, bevor das wissenschaftliche Beobachtungsprogramm beginnt.

Neben diesem wissenschaftlichen Beitrag hat sich die JAXA bei der Lieferung mehrerer Hardwarekomponenten, die für den Erfolg der Mission entscheidend sein werden, auf die Unterstützung Europas verlassen. Die ESA hat ein weltraumerprobtes optisches Teleskop zur Verfügung gestellt, um sicherzustellen, dass XRISM immer weiß, wohin es gerichtet ist, sowie zwei separate Geräte, die zusammen das Magnetfeld der Erde erfassen und die Sonde entsprechend ausrichten.

Europa hat auch zum neuartigen Instrument Resolve von XRISM beigetragen, das die Energie der einfallenden Röntgenphotonen messen wird. Dadurch können die Astronom*innen die Temperatur und die Bewegung von heißem, Röntgenstrahlen emittierendem Gas mit noch nie da gewesener Genauigkeit bestimmen. Resolve ist ein wissenschaftlicher und technologischer Wegbereiter für die künftige ESA-Mission Athena, die ein sehr ähnliches Instrument fliegen wird.

Die Kühlung des Resolve-Detektors – nur ein Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt – ist von entscheidender Bedeutung; die europäische Industrie hat die „Loop Heat Pipes“ für diese wichtige Aufgabe geliefert. SRON in den Niederlanden lieferte das Sechs-Filter-Rad des Instruments; jeder Filter kann für einen anderen Zweck über das Instrument gelegt werden. Die Universität Genf in der Schweiz entwickelte die Elektronik für das Filterrad.

Verfolgen Sie den Start live
XRISM soll am 28. August 2023 um 02:26 MESZ mit einer H-IIA-Rakete vom Tanegashima Space Center in Japan starten. Verfolgen Sie den Start live auf Japanisch/Englisch über den YouTube-Kanal der JAXA.

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• XRISM und SLIM auf H-IIA F47

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Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik 6. Dezember 2022.

6. Dezember 2022 – Die im Labor gemessenen Intensitätsverhältnisse wichtiger Strahlungslinien von Eisen wichen bislang von den berechneten ab, und damit herrschte auch Unklarheit über die aus den Röntgenspektren abgeleiteten Zustände sehr heißer Gase, wie in der Korona der Sonne oder der Umgebung Schwarzer Löcher. Mit den neuen experimentellen Daten wurde nun eine Übereinstimmung mit der Theorie erreicht. Damit können Röntgendaten von Weltraumteleskopen zukünftig mit hohem Vertrauen an die dahinterliegenden Atommodelle analysiert werden.

Nahezu alles, was wir über ferne Sterne, Gasnebel und Galaxien wissen, beruht auf der Analyse des Lichts, das wir von ihnen empfangen. Genauer gesagt, der elektromagnetischen Wellen, denn mittlerweile steht Astronomen deren gesamtes Spektrum zur Verfügung. In welchem Spektralbereich ein Körper oder ein Gas besonders hell leuchtet, hängt vor allem von seiner Temperatur ab: Je heißer, desto energiereicher die Strahlung. Im Weltraum befindet sich mehr als 99 Prozent der gesamten sichtbaren Materie im Plasmazustand; es ist so heiß, dass die Atome ein oder mehrere Elektronen verloren haben und als positiv geladene Ionen vorliegen. Extrem heiße Plasmen mit Temperaturen von mehr als eine Million Grad gibt es zum Beispiel in der während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbaren Korona der Sonne. Darüber hinaus findet man sie in der Umgebung von Schwarzen Löchern oder als intergalaktisches Gas zwischen den Galaxien.

Die von solchen Plasmen ausgesandte Röntgenstrahlung weist die Fingerabdrücke der in ihnen befindlichen chemischen Elemente auf. Sehr prominent sind Strahlungslinien (Emissionslinien) von mehrfach ionisiertem Eisen, insbesondere Fe XVII, das von seinen ursprünglichen 26 Elektronen 16 verloren hat. Der Grund: Eisen ist unter den schweren Elementen häufig und Fe XVII über einen breiten Temperaturbereich vertreten.

Bei der Analyse eines Röntgenspektrums vergleicht man neben den Energien der Emissionslinien unter anderem die Intensitätsverhältnisse charakteristischer Linien. Um daraus auf die Eigenschaften des kosmischen Plasmas schließen zu können, muss man diese Intensitätsverhältnisse gut kennen. Das ist möglich, indem man sie theoretisch berechnet und im Labor experimentell überprüft. Und genau das war bislang das Problem: Quantenmechanische Rechnungen und Laborergebnisse des Intensitätsverhältnisses von zwei starken Linien namens 3C und 3D wichen um etwa 20 Prozent voneinander ab und stellten unser Verständnis atomarer Struktur und das Vertrauen in die genutzten Modelle in Frage.

Das war nicht nur ein Problem für die Astronomen, sondern auch für die Physiker, denn wo lag der Fehler, in der Theorie oder dem Experiment? Vor zwei Jahren hatte das Team um Doktorand Steffen Kühn vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) das bis dahin genauestes Experiment durchgeführt, und auch damals blieb eine unerklärbare Diskrepanz bestehen. Das MPIK-Theorieteam um Natalia Oreshkina und Zoltan Harman, sowie Marianna Safronova und Charles Cheung in den USA und Julian Berengut in Australien hatten Supercomputer heißlaufen lassen, um die Emissionslinien 3C und 3D von Fe-XVII mit höchster Präzision erneut zu berechnen: Die Diskrepanz sowie die Fragestellung blieben: Wer hatte Recht?

„Wir waren überzeugt alle damals bekannten systematische Effekte bei der Messung im Griff zu haben“, erinnert sich Kühn. Doch in einem letzten Anlauf wollte er und das Forscherteam geleitet von José Crespo der Sache auf den Grund gehen: Anstelle des Intensitätsverhältnisses der beiden Linien versuchte man die absolute Stärke der einzelnen Übergänge, auch Oszillatorstärke genannt, zu vermessen. Doch um diese individuellen Linienstärken zu vermessen und den Übeltäter der beiden Linien in der theoretischen Betrachtung zu identifizieren, musste die Qualität der Messdaten erheblich verbessert werden.

Für diese knifflige Messung hat Kühn im Rahmen seiner Doktorarbeit eine Electron Beam Ion Trap Apparatur (PolarX-EBIT) verwendet, die im Rahmen eines Projekts von Postdoc Sonja Bernitt am MPIK gebaut worden war. In ihr werden Eisen-Ionen durch einen Elektronenstrahl produziert und in einem Magnetfeld gefangen. Dabei entfernt der Elektronenstrahl die äußeren Elektronen der Eisen-Ionen, bis das gewünschte Fe XVII vorliegt. Dann werden die gefangenen Eisen-Ionen mit Röntgenlicht geeigneter Energie bestrahlt, sodass sie leuchten. Dafür muss die eingestrahlte Energie der Röntgenphotonen variiert werden, bis die gesuchten Linien exakt getroffen werden. Da handelsübliche Quellen die benötigte Röntgenstrahlung nicht produzieren können, musste die PolarX-EBIT zum DESY nach Hamburg transportiert werden. Dort erzeugt das Synchrotron PETRA III einen Röntgenstrahl, dessen Energie sich über einen bestimmten Energiebereich durchstimmen lässt. Auf diese Weise regt man die Eisen-Ionen zur Emission von Röntgenstrahlung an, die dann in Abhängigkeit von der eingestrahlten Photonenenergie spektral analysiert wird.

Mit trickreichen Verbesserungen an der Apparatur und am Messschema gelang es Kühn mit seinen Kollegen Moto Togawa, René Steinbrügge und Chintan Shah, in langen Tagen und kurzen Nächten an der PETRAIII-Strahlröhre die Auflösung der Spektren im Vergleich zu ihrer vorherigen Messung noch einmal zu verdoppeln und den störenden Untergrund, wie er bei jeder Messung auftritt, um einen Faktor tausend zu unterdrücken. Die enorm verbesserte Datenqualität brachte den Durchbruch: Erstmals konnten die zu untersuchenden Emissionslinien vollständig von benachbarten Linien getrennt werden. Außerdem ließen sich die Linien 3C und 3D nun bis zum äußersten Rand vermessen. „In den bisherigen Messungen waren die Flügel dieser Linien im Untergrund versteckt, was zu einer fehlerhaften Interpretation der Intensitäten geführt hatte“, erklärt Kühn. Damit ist auch Maurice Leutenegger vom NASA Goddard Space Flight Center hochzufrieden, der als Experte für Röntgenastrophysik am Experiment mitbeteiligt war: Das Endergebnis stimmt nun hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen überein. Das freut auch die Theoretiker.

Damit ist das Vertrauen in die quantenmechanischen Rechnungen gestärkt, mit denen astrophysikalische Spektren analysiert werden. Dies gilt besonders für Linien, für die es keine experimentellen Vergleichswerte gibt“, verdeutlicht Kühn die Bedeutung des neuen Resultats. Und die Spektren der Weltraumteleskope können nun mit höherer Genauigkeit ausgewertet werden. Das betrifft auch zwei große Röntgenobservatorien, die demnächst ins All gelangen sollen: Das unter japanischer Leitung gebaute X-Ray Imaging Spectroscopy Mission (XRISM, Start im Mai 2023) und das Athena X-Ray Observatory der Europäischen Weltraumorganisation ESA (Start in den frühen 2030er Jahren).

Originalpublikation:
New Measurement Resolves Key Astrophysical Fe-XVII Oscillator Strength
Steffen Kühn, Charles Cheung, Natalia S. Oreshkina, René Steinbrügge, Moto Togawa, Sonja Bernitt, Lukas Berger, Jens Buck, Moritz Hoesch, Jörn Seltmann, Florian Trinter, Christoph H. Keitel, Mikhail G. Kozlov, Sergey G. Porsev, Ming Feng Gu, F. Scott Porter, Thomas Pfeifer, Maurice A. Leutenegger, Zoltán Harman, Marianna S. Safronova, José R. Crespo López-Urrutia and Chintan Shah
Physical Review Letters, 5. Dezember 2022 DOII: doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.245001, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.245001.

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• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag Röntgenanalyse ohne Zweifel – Vier Jahrzehnte währendes Rätsel kosmischer Röntgenstrahlung gelöst erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: ISAS, JAXA, NASA.

XARM steht für X-Ray Astronomy Recovery Mission und kennzeichnet damit die Fortsetzung der Bestrebungen zum Betrieb eines Röntgenastromiesatelliten unter anderem mit Instrumenten aus Japan und den USA. Das letzte derartige Projekt der japanischen Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (JAXA), das unter maßgeblicher Unterstützung durch die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtagentur (NASA) realisiert wurde, scheiterte nur wenige Wochen nachdem der entsprechende Satellit, Astro-H oder Hitomi genannt, am 17. Februar 2016 in den Weltraum gebracht worden war.

Auf Grund von Schwierigkeiten mit dem Lageregelungssystems von Astro-H und in Folge eines inhaltlich fehlerhaften Datenupdates des Systems geriet das Weltraumteleskop in eine Flugsituation mit einer die Festigkeitsgrenzen der Konstruktion überschreitenden Rotation um die Hochachse. Solarzellenausleger und Anbauten an einem Instrumentenausleger brachen – dafür sprechen Beobachtungen des Raumfahrzeugs mit landgebundenen Teleskopen, Raumfahrer.net berichtete.

Astro-H versagte am 25. März 2016 gegen Ende seiner Inbetriebnahmephase, den sicheren Verlust des Teleskops erklärte die JAXA am 28. April 2016. Nur eine geringe Anzahl wissenschaftlich verwertbarer Aufnahmen entstanden, nachdem das Röntgenspektrometer SXS US-amerikanischer Herkunft an Bord von Astro-H für weiche Röntgenstrahlung ausreichend heruntergekühlt war. Für die Kühlung sorgte ein Kryostat ebenfalls US-amerikanischer Herkunft, dem eine gewisse Menge Helium als Kühlmittel zur Verfügung stand.

Wegen dem unplanmäßigen Verlust von Helium konnte das Beobachtungsprogramm des Vorgängers von Astro-H, Astro-EII alias Suzaku, nur unvollständig absolviert werden. Das ebenfalls in japanisch-US-amerikanischer Kooperation entstandene Röntgenteleskop war am 10. Juli 2005 als Ersatz für das bei einem Startversager am 10. Februar 2000 zerstörte Astro-E ins All gebracht worden.

Im Verlauf der Inbetriebnahmephase von Astro-EII stellte sich heraus, dass Helium in Folge eines Lecks nicht mehr zur Verfügung stand und eine bestimmungsgemäße Nutzung des US-amerikanischen X-ray Spektrometers (XRS) nicht möglich sein würde. Astro-EII wurde am 2. September 2015 endgültig deaktiviert, Raumfahrer.net berichtete.

Für XARM würde die NASA die gleiche Hardware zur Verfügung stellen, wie sie schon für Astro-H im Sinne einer „Recovery of Astro-E2/Suzaku-XRS science“ bereitgestellt worden war. Im Sommer 2016 wurden die Kosten für die Hardware für XARM auf einen Betrag zwischen 70 und 90 Millionen US-Dollar geschätzt, den man ab 2017 verteilt über einen Zeitraum von vier Jahren investieren könnte.

Im Juni 2017 soll im Rahmen eines Reviews verbindlich festgelegt werden, welche Aufgaben die NASA bei diesem Anlauf für ein gemeinsames Röntgenteleskop übernimmt. Innerhalb der NASA befürworten der NASA-Unterausschuss für Astrophysik, der NASA-Wissenschaftsausschuss und der NASA-Beirat das Projekt.

Auf japanischer Seite wurde XARM in das Budget für das Finanzjahr 2017 aufgenommen, das am 1. April 2017 begann. Die JAXA arbeitet derzeit auf einen Start des neuen Röntgenastronomiesatelliten am Ende des Finanzjahres 2020, also im Kalenderjahr 2021, hin.

In seiner Neujahrsansprache vom 4. Januar 2017 wies der Generaldirektor des Instituts für Weltraumwissenschaften und Astronautik (Institute of Space and Astronautical Science, ISAS) der JAXA, Saku Tsuneta, darauf hin, dass man nicht vergessen solle, dass die Unterstützung für XARM durch die Regierung Japans und durch die NASA auf der Annahme basiere, das ISAS werde ihre Prozesse bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen und ihrem Betrieb drastischen Reformen unterwerfen.

Für Astrophysiker hat ein im All über einen längeren Zeitraum einsetzbares hoch-empfindliches Teleskop für weiche Röntgenstrahlung eine besondere Bedeutung. Vom Röntgenspektrometer SXS hat man eine rund dreißigfach höhere Empfindlichkeit gegenüber für Beobachtungen im selben Wellenlängenbereich bisher an Bord von Satelliten verwendeten Instrumenten erwartet. Es war für Strahlung im Bereich von 0,3 bis 12 keV geeignet. Als Energieauflösung, die kleinste Energiedifferenz, die das SXS auseinanderhalten könnte, nannte die JAXA <7 eV (volle Halbwertsbreite).

Rund drei Jahre hätte die Primärmission des SXS – begrenzt durch den Heliumvorrat zur Kühlung – an Bord von Astro-H dauern sollen. Den bisherigen und künftigen Beteiligten kann man nur wünschen, dass es ihnen im dann vierten Anlauf gelingt, reichlich Daten zu ihren Fragen zur Entwicklung großräumiger Strukturen im Universum, dem eventuellen Einfluss Dunkler Materie auf diese Entwicklung, der Bildung und Entwicklung Schwarzer Löcher und ihrem Einfluss auf die Entwicklung von Galaxien zu gewinnen.

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• XARM (X-Ray Astronomy Recovery Mission)

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