Na zijn lancering op 7 september 2023 en de bijbehorende reeks testen heeft de XRISM röntgentelescoop de eerste twee wetenschappelijke artikelen opgeleverd. Het team verbaast zich over een temperatuur van tien miljard graden Celsius binnen een supernovarestant. En het heeft de binnenradius gemeten van de stofring rond een superzwaar zwart gat. In het geval van NGC 4151 blijkt die 0,1 lichtjaar te zijn. SRON heeft het filterwiel en een röntgenbron ter kalibratie van het Resolve-instrument ontwikkeld.
Animatie van het sterrenstel NGC 4151. Credit: JAXA
Supernovarestant N132D: IJzer van 10 miljard graden Celsius
N132D is het overblijfsel van een supernova op 160.000 lichtjaar afstand, in de Grote Magelhaense Wolk, waarvan het licht de Aarde drieduizend jaar geleden bereikte. Als een zware ster aan het einde van haar leven komt, sterft ze met een krachtige knal die astronomen een supernova noemen. Daarbij schiet ze haar materiaal de ruimte in met snelheden van duizenden kilometers per seconde. De resulterende schokgolf verhit die materie tot ruim een miljoen graden Celsius. Supernovae spuwen zo energie en zware elementen zoals ijzer de interstellaire ruimte in, waarmee ze stervorming en kosmische straling aanwakkeren. Uiteindelijk leidt dat tot de vorming van planeten.
De restanten van relatief recente supernovae zijn nog zichtbaar als ontploffende wolken. De exacte temperatuursverdeling binnen die restanten blijft echter een mysterie. XRISM’s Resolve spectrometer, inclusief SRON’s filterwiel, heeft nu van N132D het röntgenspectrum gemeten van ijzer. Het team leidt daaruit de temperatuur af door te kijken naar de breedte van de spectrale lijn. Hoe heter de ijzerdeeltjes, des te sneller ze vibreren, en des te groter de variatie in golflengte van het licht dat ze uitzenden. Dit komt door het Doppler-effect dat we kennen van voorbijrijdende ambulances. Volgens die analogie: Hoe sneller ambulances rijden, des te groter de variatie in tonen die we horen. Het blijkt dat de buitenste regionen van N132D relatief koel zijn, met tien miljoen graden Celsius. De binnenste ijzerkern is door de krachtige schokgolven opgewarmd tot maar liefst tien miljard graden Celsius.
Röntgenafbeelding en -spextrum van het supernovarestant N132D, gemaakt door respectievelijk de Xtend-camera en de Resolve spectrometer aan boord van XRISM. Credit: JAXA
Superzwaar zwart gat NGC 4151: stofdonut op 0,1 lichtjaar afstand
XRISM heeft zijn blik ook gericht op de stofring rond het superzware zwarte gat in het sterrenstelsel NGC 4151, op 62 miljoen lichtjaar afstand van de Aarde. Haar massa wordt geschat op dertig miljoen maal die van onze Zon. Superzware zwarte gaten spelen een leidende rol in het vormen van sterrenstelsels, omdat ze materie opslokken en weer uitspuwen, en ze strooien met energie die stervorming beïnvloedt. Begrip over de in- en uitstroom van materie rond zulke zwarte gaten is daarom cruciaal voor ons begrip over de evolutie van sterrenstelsels.
Het Resolve-instrument aan boord van XRISM richtte zich op de ‘moleculaire torus’—een donut van gas en stof rond het zwarte gat. De binnenkant van die donut blijkt nu op 0,1 lichtjaar afstand te liggen. De observaties leverden ook inzicht in de verdeling van materie in de accretieschijf, die nog dichter om het zwarte gat draait, in de wachtrij om opgeslokt te worden. Ook daarbij maakte het team gebruik van Doppler-effect, door te kijken naar de verbreding van de spectraallijnen. De hoge resolutie van Resolve stelt ze daartoe in staat.
Snelheidsverdeling van ijzer rond het superzware zwarte gat in het sterrenstelsel NGC 4151. Snelheden zijn afgeleid van de verbreding van spectraallijnen in de röntgenspectra die zijn gemaakt door het Resolve instrument. Hoe breder die lijnen, des te heter het materiaal. Hete deeltjes vibreren snel, wat leidt tot een grote variatie aan golflengtes licht die ze uitzenden, vanwege het Doppler effect. Credit: JAXA
Publicaties
Following its launch on September 7th, 2023, and the subsequent series of tests, the XRISM X-ray telescope has produced its first two scientific papers. The team marveled at a temperature of ten billion degrees Celsius inside a supernova remnant. And it measured the distance of the dust ring around a supermassive black hole. In the case of NGC 4151, this turns out to be 0.1 light years. SRON has developed the filter wheel and an X-ray source used to calibrate the energy scale of the Resolve instrument.
Impression of the galaxy NGC 4151. Credit: JAXA
Supernova remnant N132D: Iron of 10 billion degrees Celsius
N132D, a supernova remnant located 160,000 light-years away in the Large Magellanic Cloud, is the aftermath of a stellar explosion that occurred about 3,000 years ago. When a massive star ends its life, it undergoes a gigantic explosion, called a supernova, releasing material into space at speeds of several thousand kilometers per second. This explosion creates a shock wave that heats the expelled gas as well as the ambient matter to over a million degrees Celsius, forming a supernova remnant. Supernova remnants provide heavy elements, such as iron, and energy into interstellar space, driving processes like star formation and cosmic-ray generation—crucial to the overall “material and energy circulation” of the Universe, which eventually leads to the formation of planets and life itself.
However, the exact temperature and energy distribution within these remnants have remained elusive. XRISM’s high-resolution spectroscopy has provided a breakthrough in understanding this process. During the first-light observations of N132D, XRISM captured X-ray lines from heavy elements such as silicon, sulfur, and iron, allowing scientists to measure their temperatures precisely. A careful analysis by the research team has revealed that the iron ions have very likely reached temperatures of around 10 billion degrees Celsius.
X-ray image and spectrum of the supernova remnant N132D from XRISM’s First Light observations. The image was captured by XRISM’s Xtend instrument, while the high-resolution spectrum was obtained using the Resolve spectrometer. Credit: JAXA
This measurement has been enabled by XRISM’s capability in capturing the “thermal Doppler effect,” which occurs as ions within the supernova remnant move due to thermal motion, causing their characteristic X-ray wavelengths to shift. By analyzing this Doppler effect, XRISM revealed that while outer regions of the remnant are cooler (~10 million degrees Celsius), the iron deep inside has been superheated by powerful shock waves to reach 10 billion degrees. This result is the first observational confirmation of such high temperatures for iron in a supernova remnant, providing a new window into the energy circulation in the Universe.
Supermassive black hole NGC 4151: dust torus at 0.1 lightyears
XRISM has also shed light on the structure surrounding the supermassive black hole in NGC 4151, a spiral galaxy located 62 million light-years away. The mass of this black hole is estimated to be about 30 million times the mass of the Sun. Supermassive black holes are critical in shaping galaxies, as they pull in and expel matter and energy that can influence star formation and the galactic environment. Therefore, understanding how matter flows into and out of such black holes is crucial for understanding galaxy evolution.
XRISM’s observations focused on the “molecular torus”; a dense ring of gas and dust that encircles the black hole. Using its superior spectroscopic capabilities, XRISM determined the inner edge of this torus lies about 0.1 light-years from the black hole. Additionally, the satellite was able to map the distribution of matter within the black hole’s accretion disk and the so-called broad line region, which extends from the black hole’s vicinity outward.
XRISM/Resolve spectrum of iron characteristic X-rays from NGC 4151 in velocity space, revealing the inferred structure of matter surrounding the black hole. The spectral broadening indicates multiple regions, including the molecular torus, the broad line region, and the accretion disk. Credit: JAXA
These measurements were made by analyzing the Doppler shifts caused by matter orbiting the black hole at high speeds. The research team used this technique to map different regions surrounding the black hole. These results provide new insights into how matter spirals into black holes and how this process affects galaxy evolution.