Met het maken van haar eerste twee foto’s heeft JAXA’s röntgentelescoop XRISM officieel de mijlpaal First Light bereikt. De plaatjes laten de sterrenstelselcluster Abell 2319 en het overblijfsel van supernova N132D zien, waarmee ze XRISM’s brede blikveld en hoge spectrale resolutie aantonen. SRON heeft het filterwiel en een röntgenbron ter kalibratie van het Resolve-instrument ontwikkeld.
Röntgenfoto’s van het heelal zien er anders uit dan die we kennen van telescopen voor zichtbaar en infrarood licht, zoals Hubble en James Webb. Ze geven ons daarmee unieke informatie over de grootste schouwspellen in de kosmos, omdat röntgenstraling hoogenergetisch licht is dat wordt uitgezonden door de heetste en gewelddadigste objecten en verschijnselen in het universum.
Abell 2319 cluster
XRISM’s eerste beelden zijn gemaakt tijdens de ‘commissioning phase’, waarin engineers alle testen en controles uitvoeren die nodig zijn om ervoor te zorgen dat de telescoop zo goed werkt als mogelijk. De eerste foto geeft een breed blikveld op de sterrenstelselcluster Abell 2319. In paars zien we de röntgenstraling van het gas tussen haar sterrenstelsels—het intracluster medium (ICM)—dat miljoenen graden heet is. Het bestuderen van dit gas helpt astronomen om de totale massa van het cluster te berekenen. Dat geeft ze informatie over het ontstaan en de evolutie van het heelal.
Sterrenstelselcluster Abell 2319 in paars. De donkere strepen worden veroorzaakt door de geometrie van de gesegmenteerde detector. Credit: X-ray (JAXA/NASA/ESA), Optical (DSS).
XRISM’s observaties aan clusters van sterrenstelsels biedt ook een inkijkje in de productie en distributie van chemische elementen die we vandaag de dag op aarde vinden. Het ICM is een overblijfsel van stervende sterren gedurende de geschiedenis van het heelal. Door de uitgezonden röntgenstraling te bestuderen gaat XRISM ontdekken welke ‘metalen’ (elementen zwaarder dan waterstof en helium) het bevat en in kaart brengen hoe het universum ermee werd verrijkt.
Supernova remnant N132D
Het tweede plaatje toont de overblijfselen van een zware ster die is ontploft in de Grote Magelhaense Wolk—een satellietstelsel van onze Melkweg. De verschillende kleuren wijzen op röntgenstralen van verschillende energieën, met rood als laagste en blauw als hoogste energie.
Spectrum van supernova-remnant N132D. De grijze lijn is een spectrum van JAXA’s Suzaku röntgentelescoop, die tot nu de hoogste spectrale resolutie had binnen dit bereik. Credit: JAXA/NASA/ESA.
Terwijl het Xtend-instrument de foto van de supernova-remnant heeft gemaakt, is het Resolve-instrument complementair door daar een spectrum aan toe te voegen. Dat toont de chemische elementen die aanwezig zijn in N132D. Op die manier kunnen wetenschappers precies aanwijzen waar in het cluster elk element te vinden is.
XRISM kan elk element identificeren door de specifieke energie te meten van de röntgenstralen. Wetenschappers kunnen binnen XRISM’s energiebereik onderscheidt maken tussen de elementen silicium, zwavel, argon, calcium en ijzer. Alleen supernova-explosies produceren deze elementen. Met XRISM kunnen astronomen hun hoeveelheid, snelheid, temperatuur en dichtheid bepalen. Ze kunnen ook een 3D-kaart maken van hun beweging en verdeling als gevolg van de interactie tussen de supernova-remnant en haar omgeving.
Ter vergelijking: de grijze lijn toont hetzelfde spectrum van JAXA’s Suzaku röntgentelescoop. De spectrale resolutie van XRISM is ruim veertigmaal hoger binnen dit energiebereik.
Wat is er gebeurd sinds de lancering?
Sinds de lancering van XRISM op 7 september 2023 zijn engineers en wetenschappers van JAXA aan de slag geweest om de telescoop onderzoeksklaar te maken. Onderdeel daarvan waren het aanzetten en testen van XRISM’s twee instrumenten—Xtend en Resolve.
De telescoop is momenteel in goede conditie. De systemen aan boord werken zoals gepland, waaronder die die de stroomtoevoer, de oriëntatie en de communicatie met de aarde regelen. De ESA-hardware is al vroeg in de ‘commissioning phase’ getest en functioneert naar behoren.
De spectrale resolutie van Resolve—zijn voornaamste wetenschappelijke prestatie-indicator—overtreft de vereisten. Het is echter nog niet gelukt om het vlies te openen dat over de detector zit om hem te beschermen tijdens de lancering. Engineers zijn nog steeds bezig om dit probleem te verhelpen, maar geplande observaties moeten er vanuit gaan dat het vlies blijft zitten. Het N132D spectum laat zien dat baanbrekend onderzoek nog steeds mogelijk is.
De ‘commissioning phase’ wordt eind januari afgesloten. Vanaf februari gaat JAXA de instrumenten kalibreren en hun vermogen op volle kracht gebruiken. Wetenschappers zijn al uitgenodigd om voorstellen in te dienen voor observaties die ze vanaf augustus 2024 kunnen uitvoeren. De deadline is 4 april 2024. Observaties van XRISM zijn complementair aan die van XMM-Newton en worden volgend decennium opgevolgd door de NewAthena röntgentelescoop. SRON is ook onderdeel van die twee missies.
Bijdrage SRON
De Nederlandse bijdrage aan XRISM bestaat uit het filterwiel voor Resolve. Dit draait verschillende filters voor de camera, zodat astronomen de helderheid en golflengte van de inkomende straling naar wens kunnen wegfilteren. Zo zullen ze het Molybdeen grijsfilter gebruiken als een ster of zwart gat meer röntgenstraling afgeeft dan de detector kan uitlezen en kiezen ze het Berillium- of Polyimide-aluminium-filter om bepaalde golflengtes te blokkeren. Een radioactieve ijzer-55 bron zit in het filterwiel ter kalibratie van de röntgencamera. Daarnaast heeft SRON, samen met het bedrijf Exosens (voorheen Photonis), een elektronisch bestuurbare röntgenbron ontwikkeld waaraan de detector continu geijkt wordt.
First XRISM images released
With the release of its first two images, JAXA’s X-ray telescope XRISM has officially reached the milestone of First Light. The images show the galaxy cluster Abell 2319 and supernova remnant N132D, demonstrating XRISM’s large field-of-view and high spectral resolution. SRON has developed the filter wheel and an X-ray source used to calibrate the energy scale of the Resolve instrument.
X-ray images of the cosmos look very different to the images we are used to seeing in visible and infrared light, such as those from the James Webb and Hubble Space Telescopes. They also convey unique information about the Universe’s biggest dramas, as X-rays are a very high-energy type of light emitted in the hottest and most violent events.
Abell 2319 cluster
The test images were made during the mission’s commissioning phase, when engineers carry out all the tests and checks needed to make sure the spacecraft is working as well as possible. The first one is a wide view of a nearby cluster of galaxies called Abell 2319. In purple we see X-ray light from million-degree gas that permeates between the galaxies in the cluster. Observing this gas helps astronomers measure the total mass of the galaxy cluster, revealing information about the birth and evolution of the Universe.
Galaxy cluster Abell 2319 in purple. The dark stripes are caused by the geometry of the segmented detector. Credit: X-ray (JAXA/NASA/ESA), Optical (DSS).
XRISM’s observations of galaxy clusters will also provide insight into how the Universe produced and distributed the chemical elements that we find on Earth today. The hot gas found within clusters is a remnant of dying stars over the history of the Universe. By studying the X-rays emitted by the gas, XRISM will discover which ‘metals’ (elements heavier than hydrogen and helium) it contains and map how the Universe became enriched with them.
Supernova remnant N132D
The second image shows the remains of a massive star exploding in the nearby Large Magellanic Cloud, a satellite galaxy of our Milky Way. The different colors indicate different energies of X-ray light, with red being lowest energy and blue being highest energy.
Spectrum of supernova remnant N132D. Note that the gray curve is a spectrum of JAXA’s Suzaku X-ray telescope, which had the highest energy resolving power in this domain up to today. Credit: JAXA/NASA/ESA.
Using its Resolve instrument, XRISM complements the image of the supernova remnant taken by Xtend with spectral view of the chemical elements that exist within N132D. This allows scientists to work out where exactly in the supernova remnant each element can be found. XRISM can identify each element by measuring the specific energy of X-ray light that it emits. Within XRISM’s energy range, scientists can distinguish the elements Silicon (Si), Sulphur (S), Argon (Ar), Calcium (Ca) and Iron (Fe) – elements that are made only in supernova explosions. XRISM helps us measure their abundances, velocities, temperature and density. It also lets us put together a 3D map of the motion and distribution of the chemical elements as a result of the interaction between the supernova remnant and its surroundings.
For comparison, the faint grey line shows the same spectrum from JAXA’s Suzaku X-ray telescope. The energy resolution from XRISM is over 40 times better over the energy range shown in this spectrum.
What has happened since launch?
XRISM launched on 7 September 2023. Since then, JAXA engineers and scientists have been working hard to get the telescope ready for science. This included switching on and testing out XRISM’s two instruments, Xtend and Resolve.
The spacecraft is currently in good condition. Checks on onboard systems such as those that control the power supply, the orientation of the spacecraft, and the communication with Earth, confirm that they work as planned. Hardware provided by ESA was tested early in the commissioning phase and is all working as expected.
The Resolve instrument’s energy resolution – the key scientific performance indicator – is exceeding requirements. However, engineers have not yet managed to open a window protecting the detector before, during and after launch. Efforts are ongoing to fix the issue, but the XRISM team has decided that planned scientific observations should assume that the window will remain in place. The N132D spectrum demonstrates that groundbreaking science can still be achieved.
What’s next?
The spacecraft commissioning phase will be finished by the end of January. In February, JAXA will start calibrating the instruments and fully demonstrating their capabilities. Scientists have already been invited to submit proposals for observations that they would like to make starting from August 2024. The deadline is 4 April 2024. Observations made using XRISM will complement those from XMM-Newton, and will be followed up in the future by NewAthena. SRON is also involved in both of those missions.
SRON contribution
The Dutch contribution to XRISM consists of the filter wheel for Resolve. The filter wheel puts different filters in front of the camera, allowing astronomers to select the brightness and wavelengths of the incoming radiation. They will for example use the Molybdenum gray filter if a star or black hole emits more X-rays than the detector can handle. They will choose the Beryllium or Polyimide aluminum filter to block certain wavelengths. A radioactive iron-55 source is included in the filter wheel to calibrate the X-ray camera. Together with the company Exosens (former Photonis), SRON has also developed an electronically controlled X-ray source allowing continuous calibration of the detector.
This is a modified version of ESA’s press release
