The Astrophysical Journal (Jan 2023)
X-Ray Polarimetry Reveals the Magnetic-field Topology on Sub-parsec Scales in Tycho’s Supernova Remnant
- Riccardo Ferrazzoli,
- Patrick Slane,
- Dmitry Prokhorov,
- Ping Zhou,
- Jacco Vink,
- Niccolò Bucciantini,
- Enrico Costa,
- Niccolò Di Lalla,
- Alessandro Di Marco,
- Paolo Soffitta,
- Martin C. Weisskopf,
- Kazunori Asakura,
- Luca Baldini,
- Jeremy Heyl,
- Philip E. Kaaret,
- Frédéric Marin,
- Tsunefumi Mizuno,
- C.-Y. Ng,
- Melissa Pesce-Rollins,
- Stefano Silvestri,
- Carmelo Sgrò,
- Douglas A. Swartz,
- Toru Tamagawa,
- Yi-Jung Yang,
- Iván Agudo,
- Lucio A. Antonelli,
- Matteo Bachetti,
- Wayne H. Baumgartner,
- Ronaldo Bellazzini,
- Stefano Bianchi,
- Stephen D. Bongiorno,
- Raffaella Bonino,
- Alessandro Brez,
- Fiamma Capitanio,
- Simone Castellano,
- Elisabetta Cavazzuti,
- Chien-Ting Chen,
- Stefano Ciprini,
- Alessandra De Rosa,
- Ettore Del Monte,
- Laura Di Gesu,
- Immacolata Donnarumma,
- Victor Doroshenko,
- Michal Dovčiak,
- Steven R. Ehlert,
- Teruaki Enoto,
- Yuri Evangelista,
- Sergio Fabiani,
- Javier A. Garcia,
- Shuichi Gunji,
- Kiyoshi Hayashida,
- Wataru Iwakiri,
- Svetlana G. Jorstad,
- Fabian Kislat,
- Vladimir Karas,
- Takao Kitaguchi,
- Jeffery J. Kolodziejczak,
- Henric Krawczynski,
- Fabio La Monaca,
- Luca Latronico,
- Ioannis Liodakis,
- Simone Maldera,
- Alberto Manfreda,
- Andrea Marinucci,
- Alan P. Marscher,
- Herman L. Marshall,
- Giorgio Matt,
- Ikuyuki Mitsuishi,
- Fabio Muleri,
- Michela Negro,
- Stephen L. O’Dell,
- Nicola Omodei,
- Chiara Oppedisano,
- Alessandro Papitto,
- George G. Pavlov,
- Abel L. Peirson,
- Matteo Perri,
- Pierre-Olivier Petrucci,
- Maura Pilia,
- Andrea Possenti,
- Juri Poutanen,
- Simonetta Puccetti,
- Brian D. Ramsey,
- John Rankin,
- Ajay Ratheesh,
- Oliver Roberts,
- Roger W. Romani,
- Gloria Spandre,
- Fabrizio Tavecchio,
- Roberto Taverna,
- Yuzuru Tawara,
- Allyn F. Tennant,
- Nicholas E. Thomas,
- Francesco Tombesi,
- Alessio Trois,
- Sergey S. Tsygankov,
- Roberto Turolla,
- Kinwah Wu,
- Fei Xie,
- Silvia Zane
Affiliations
- Riccardo Ferrazzoli
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Patrick Slane
- ORCiD
- Center for Astrophysics ∣ Harvard & Smithsonian , 60 Garden Street, Cambridge, MA 02138, USA
- Dmitry Prokhorov
- Anton Pannekoek Institute for Astronomy & GRAPPA, University of Amsterdam , Science Park 904, 1098 XH Amsterdam, The Netherlands
- Ping Zhou
- ORCiD
- School of Astronomy and Space Science, Nanjing University , Nanjing 210023, People’s Republic of China
- Jacco Vink
- ORCiD
- Anton Pannekoek Institute for Astronomy & GRAPPA, University of Amsterdam , Science Park 904, 1098 XH Amsterdam, The Netherlands
- Niccolò Bucciantini
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astrofisico di Arcetri , Largo Enrico Fermi 5, I-50125 Firenze, Italy; Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Firenze , Via Sansone 1, I-50019 Sesto Fiorentino (FI), Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Firenze, Via Sansone 1, I-50019 Sesto Fiorentino (FI), Italy
- Enrico Costa
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Niccolò Di Lalla
- ORCiD
- Department of Physics and Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University , Stanford, CA 94305, USA
- Alessandro Di Marco
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Paolo Soffitta
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Martin C. Weisskopf
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Kazunori Asakura
- Osaka University , Graduate School of Science, Osaka, Japan
- Luca Baldini
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa , Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Jeremy Heyl
- ORCiD
- University of British Columbia , Vancouver, BC V6T 1Z4, Canada
- Philip E. Kaaret
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Frédéric Marin
- ORCiD
- Université de Strasbourg , CNRS, Observatoire Astronomique de Strasbourg, UMR 7550, F-67000 Strasbourg, France
- Tsunefumi Mizuno
- ORCiD
- Hiroshima Astrophysical Science Center, Hiroshima University , 1-3-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, Hiroshima 739-8526, Japan
- C.-Y. Ng
- ORCiD
- Department of Physics, The University of Hong Kong , Pokfulam, Hong Kong
- Melissa Pesce-Rollins
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Stefano Silvestri
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Carmelo Sgrò
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Douglas A. Swartz
- ORCiD
- Science and Technology Institute, Universities Space Research Association , Huntsville, AL 35805, USA
- Toru Tamagawa
- ORCiD
- RIKEN Cluster for Pioneering Research , 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan
- Yi-Jung Yang
- ORCiD
- Department of Physics, The University of Hong Kong , Pokfulam, Hong Kong
- Iván Agudo
- ORCiD
- Instituto de Astrofísica de Andalucía, CSIC , Glorieta de la Astronomía s/n, E-18008 Granada, Spain
- Lucio A. Antonelli
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astronomico di Roma , Via Frascati 33, I-00078 Monte Porzio Catone (RM), Italy; Space Science Data Center , Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico snc, I-00133 Roma, Italy
- Matteo Bachetti
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astronomico di Cagliari , Via della Scienza 5, I-09047 Selargius (CA), Italy
- Wayne H. Baumgartner
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Ronaldo Bellazzini
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Stefano Bianchi
- ORCiD
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Università degli Studi Roma Tre , Via della Vasca Navale 84, I-00146 Roma, Italy
- Stephen D. Bongiorno
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Raffaella Bonino
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, I-10125 Torino, Italy; Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino , Via Pietro Giuria 1, I-10125 Torino, Italy
- Alessandro Brez
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Fiamma Capitanio
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Simone Castellano
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Elisabetta Cavazzuti
- ORCiD
- ASI—Agenzia Spaziale Italiana , Via del Politecnico snc, I-00133 Roma, Italy
- Chien-Ting Chen
- ORCiD
- Science and Technology Institute, Universities Space Research Association , Huntsville, AL 35805, USA
- Stefano Ciprini
- ORCiD
- Space Science Data Center , Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico snc, I-00133 Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Roma “Tor Vergata,” Via della Ricerca Scientifica 1, I-00133 Roma, Italy
- Alessandra De Rosa
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Ettore Del Monte
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Laura Di Gesu
- ORCiD
- ASI—Agenzia Spaziale Italiana , Via del Politecnico snc, I-00133 Roma, Italy
- Immacolata Donnarumma
- ORCiD
- ASI—Agenzia Spaziale Italiana , Via del Politecnico snc, I-00133 Roma, Italy
- Victor Doroshenko
- ORCiD
- Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen , Sand 1, D-72076 Tübingen, Germany
- Michal Dovčiak
- ORCiD
- Astronomical Institute of the Czech Academy of Sciences , Boční II 1401/1, 14100 Praha 4, Czech Republic
- Steven R. Ehlert
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Teruaki Enoto
- ORCiD
- RIKEN Cluster for Pioneering Research , 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan
- Yuri Evangelista
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Sergio Fabiani
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Javier A. Garcia
- ORCiD
- California Institute of Technology , Pasadena, CA 91125, USA
- Shuichi Gunji
- ORCiD
- Yamagata University , 1-4-12 Kojirakawa-machi, Yamagata-shi 990-8560, Japan
- Kiyoshi Hayashida
- Osaka University , 1-1 Yamadaoka, Suita, Osaka 565-0871, Japan
- Wataru Iwakiri
- ORCiD
- Department of Physics, Faculty of Science and Engineering, Chuo University , 1-13-27 Kasuga, Bunkyo-ku, Tokyo 112-8551, Japan
- Svetlana G. Jorstad
- ORCiD
- Institute for Astrophysical Research, Boston University , 725 Commonwealth Avenue, Boston, MA 02215, USA; Department of Astrophysics, St. Petersburg State University , Universitetsky pr. 28, Petrodvoretz, 198504 St. Petersburg, Russia
- Fabian Kislat
- ORCiD
- Department of Physics and Astronomy and Space Science Center, University of New Hampshire , Durham, NH 03824, USA
- Vladimir Karas
- ORCiD
- Astronomical Institute of the Czech Academy of Sciences , Boční II 1401/1, 14100 Praha 4, Czech Republic
- Takao Kitaguchi
- RIKEN Cluster for Pioneering Research , 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan
- Jeffery J. Kolodziejczak
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Henric Krawczynski
- ORCiD
- Physics Department and McDonnell Center for the Space Sciences, Washington University in St. Louis , St. Louis, MO 63130, USA
- Fabio La Monaca
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Luca Latronico
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, I-10125 Torino, Italy
- Ioannis Liodakis
- ORCiD
- Finnish Centre for Astronomy with ESO, FI-20014 University of Turku , Finland
- Simone Maldera
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, I-10125 Torino, Italy
- Alberto Manfreda
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Andrea Marinucci
- ORCiD
- ASI—Agenzia Spaziale Italiana , Via del Politecnico snc, I-00133 Roma, Italy
- Alan P. Marscher
- ORCiD
- Institute for Astrophysical Research, Boston University , 725 Commonwealth Avenue, Boston, MA 02215, USA
- Herman L. Marshall
- ORCiD
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino , Via Pietro Giuria 1, I-10125 Torino, Italy; MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology , 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, USA
- Giorgio Matt
- ORCiD
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Università degli Studi Roma Tre , Via della Vasca Navale 84, I-00146 Roma, Italy
- Ikuyuki Mitsuishi
- Graduate School of Science, Division of Particle and Astrophysical Science, Nagoya University , Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8602, Japan
- Fabio Muleri
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Michela Negro
- ORCiD
- University of Maryland , Baltimore County, Baltimore, MD 21250, USA; NASA Goddard Space Flight Center , Greenbelt, MD 20771, USA; Center for Research and Exploration in Space Science and Technology , NASA/GSFC, Greenbelt, MD 20771, USA
- Stephen L. O’Dell
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Nicola Omodei
- ORCiD
- Department of Physics and Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University , Stanford, CA 94305, USA
- Chiara Oppedisano
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, I-10125 Torino, Italy
- Alessandro Papitto
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astronomico di Roma , Via Frascati 33, I-00078 Monte Porzio Catone (RM), Italy
- George G. Pavlov
- ORCiD
- Department of Astronomy and Astrophysics, Pennsylvania State University , University Park, PA 16802, USA
- Abel L. Peirson
- ORCiD
- Department of Physics and Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University , Stanford, CA 94305, USA
- Matteo Perri
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astronomico di Roma , Via Frascati 33, I-00078 Monte Porzio Catone (RM), Italy; Space Science Data Center , Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico snc, I-00133 Roma, Italy
- Pierre-Olivier Petrucci
- ORCiD
- Université Grenoble Alpes , CNRS, IPAG, F-38000 Grenoble, France
- Maura Pilia
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astronomico di Cagliari , Via della Scienza 5, I-09047 Selargius (CA), Italy
- Andrea Possenti
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astronomico di Cagliari , Via della Scienza 5, I-09047 Selargius (CA), Italy
- Juri Poutanen
- ORCiD
- Department of Physics and Astronomy, FI-20014 University of Turku , Finland
- Simonetta Puccetti
- ORCiD
- Space Science Data Center , Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico snc, I-00133 Roma, Italy
- Brian D. Ramsey
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- John Rankin
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Ajay Ratheesh
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]
- Oliver Roberts
- ORCiD
- Science and Technology Institute, Universities Space Research Association , Huntsville, AL 35805, USA
- Roger W. Romani
- ORCiD
- Department of Physics and Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University , Stanford, CA 94305, USA
- Gloria Spandre
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Pisa, Largo B. Pontecorvo 3, I-56127 Pisa, Italy
- Fabrizio Tavecchio
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astronomico di Brera , Via E. Bianchi 46, I-23807 Merate (LC), Italy
- Roberto Taverna
- ORCiD
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova , Via Marzolo 8, I-35131 Padova, Italy
- Yuzuru Tawara
- Graduate School of Science, Division of Particle and Astrophysical Science, Nagoya University , Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8602, Japan
- Allyn F. Tennant
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Nicholas E. Thomas
- ORCiD
- NASA Marshall Space Flight Center , Huntsville, AL 35812, USA
- Francesco Tombesi
- ORCiD
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Roma “Tor Vergata,” Via della Ricerca Scientifica 1, I-00133 Roma, Italy; Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Roma “Tor Vergata,” Via della Ricerca Scientifica 1, I-00133 Roma, Italy; Department of Astronomy, University of Maryland , College Park, MD 20742, USA
- Alessio Trois
- ORCiD
- INAF Osservatorio Astronomico di Cagliari , Via della Scienza 5, I-09047 Selargius (CA), Italy
- Sergey S. Tsygankov
- ORCiD
- Department of Physics and Astronomy, FI-20014 University of Turku , Finland
- Roberto Turolla
- ORCiD
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova , Via Marzolo 8, I-35131 Padova, Italy; Mullard Space Science Laboratory, University College London , Holmbury St Mary, Dorking, Surrey RH5 6NT, UK
- Kinwah Wu
- ORCiD
- Mullard Space Science Laboratory, University College London , Holmbury St Mary, Dorking, Surrey RH5 6NT, UK
- Fei Xie
- ORCiD
- INAF Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali , Via del Fosso del Cavaliere 100, I-00133 Roma, Italy ; [email protected]; Guangxi Key Laboratory for Relativistic Astrophysics, School of Physical Science and Technology, Guangxi University , Nanning 530004, People’s Republic of China
- Silvia Zane
- ORCiD
- Mullard Space Science Laboratory, University College London , Holmbury St Mary, Dorking, Surrey RH5 6NT, UK
- DOI
- https://doi.org/10.3847/1538-4357/acb496
- Journal volume & issue
-
Vol. 945,
no. 1
p. 52
Abstract
Supernova remnants are commonly considered to produce most of the Galactic cosmic rays via diffusive shock acceleration. However, many questions regarding the physical conditions at shock fronts, such as the magnetic-field morphology close to the particle acceleration sites, remain open. Here we report the detection of a localized polarization signal from some synchrotron X-ray emitting regions of Tycho’s supernova remnant made by the Imaging X-ray Polarimetry Explorer. The derived degree of polarization of the X-ray synchrotron emission is 9% ± 2% averaged over the whole remnant, and 12% ± 2% at the rim, higher than the value of polarization of 7%–8% observed in the radio band. In the west region, the degree of polarization is 23% ± 4%. The degree of X-ray polarization in Tycho is higher than for Cassiopeia A, suggesting a more ordered magnetic field or a larger maximum turbulence scale. The measured tangential direction of polarization corresponds to the radial magnetic field, and is consistent with that observed in the radio band. These results are compatible with the expectation of turbulence produced by an anisotropic cascade of a radial magnetic field near the shock, where we derive a magnetic-field amplification factor of 3.4 ± 0.3. The fact that this value is significantly smaller than those expected from acceleration models is indicative of highly anisotropic magnetic-field turbulence, or that the emitting electrons either favor regions of lower turbulence, or accumulate close to where the orientation of the magnetic field is preferentially radially oriented due to hydrodynamical instabilities.
Keywords