看見宇宙幽靈之手的“骨頭”

看見宇宙幽靈之手的“骨頭”

X射線：NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE)紅外線：NASA/JPL-Caltech/DECaPS圖像處理：NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

1895年，威廉·倫琴（Wilhelm R?ntgen）發(fā)現(xiàn)了X射線，并用它為妻子的手骨進(jìn)行了成像，開啟了這一革命性醫(yī)學(xué)診斷工具的使用。如今，天文學(xué)家將美國航空航天局（NASA）兩臺X射線空間望遠(yuǎn)鏡的成像能力結(jié)合在了一起，揭曉了太空中一個(gè)奇特手掌狀結(jié)構(gòu)的磁場“骨骼”。這兩架望遠(yuǎn)鏡共同揭示了一顆死亡的坍縮恒星的行為，通過能量物質(zhì)和反物質(zhì)粒子羽流，它仍在繼續(xù)發(fā)光。

大約1500年前，銀河系中一顆巨型恒星的核燃料燃燒殆盡，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，恒星便會(huì)自我坍縮，形成一個(gè)密度極高的天體，也就是中子星（neutron star）。

具有強(qiáng)磁場的旋轉(zhuǎn)中子星，或者說脈沖星（pulsar），為極端物理學(xué)提供了”實(shí)驗(yàn)室”，其條件是地球上無法復(fù)制的。年輕的脈沖星會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)噴流，這些噴流從脈沖星的兩極噴出，伴隨著強(qiáng)烈的風(fēng)，形成“脈沖星風(fēng)星云”（pulsar wind nebula）。

通過結(jié)合錢德拉和IXPE的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家正在進(jìn)一步了解脈沖星是如何向太空注入粒子并塑造其環(huán)境的。圖中顯示的是X射線數(shù)據(jù)和來自智利暗能量相機(jī)（Dark Energy Camera）的紅外數(shù)據(jù)。年輕的脈沖星會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)噴流，從脈沖星的兩極向外移動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的風(fēng)，形成“脈沖星風(fēng)星云”。圖中被稱為MSH 15-52的脈沖星風(fēng)星云外形酷似人類的手掌，提供了讓天文學(xué)家了解這些天體是如何形成的信息。X射線：NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE)紅外：NASA/JPL-Caltech/DECaPS圖像處理：NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

2001年，NASA的錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）首次觀測到脈沖星PSR B1509-58，發(fā)現(xiàn)它的脈沖星風(fēng)星云（名為MSH 15-52）很像一只人手。脈沖星PSR B1509-58位于星云“手掌”的底部，星云MSH 15-52距離地球16,000光年。

現(xiàn)在，NASA最新的X射線望遠(yuǎn)鏡，X射線偏振成像探測器（Imaging X-ray Polarimetry Explorer，IXPE），已經(jīng)對MSH 15-52進(jìn)行了約17天的觀測，這是IXPE自2021年12月發(fā)射以來對單一天體觀測時(shí)間最長的一次。

“IXPE的數(shù)據(jù)為我們提供了第一張星云‘手掌’的磁場圖?！边@項(xiàng)研究的第一作者、來自美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）的羅杰·羅曼尼（Roger Romani）說，“產(chǎn)生X射線的帶電粒子沿著磁場移動(dòng)，決定了星云的基本形狀，就像人手上的骨頭一樣?！?/p>

IXPE提供有關(guān)X射線電場方向的信息，該方向由X射線源的磁場確定，這稱為X射線偏振。在MSH 15-52的大片區(qū)域中，偏振量非常高，達(dá)到了理論研究預(yù)期的最高水平。要達(dá)到這種強(qiáng)度，磁場必須非常筆直且均勻，這意味著脈沖星風(fēng)星云的這些區(qū)域幾乎沒有湍流。

“我們都熟悉作為人類診斷醫(yī)療工具的X射線?！闭撐牡墓餐髡?、同樣來自斯坦福大學(xué)的約瑟芬·翁（Josephine Wong）說，“在這里，我們以另一種方式使用了X射線，而它再次揭示了我們無法看到的信息?！?/p>

MSH 15-52有一個(gè)特別有趣的特征，就是從脈沖星向圖像底部的“手腕”噴射出明亮的X射線。新的IXPE數(shù)據(jù)顯示，噴流開始處的偏振程度很低，這可能是因?yàn)檫@是一個(gè)湍流區(qū)域，磁場錯(cuò)綜復(fù)雜，與高能粒子的產(chǎn)生有關(guān)。到了噴流的末端，磁場線似乎變直了，也變得更加均勻了，從而導(dǎo)致偏振也變得更大。

X射線：NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE)紅外：NASA/JPL-Caltech/DECaPS圖像處理：Image Processing: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

這些結(jié)果表明，粒子在“手掌”根部脈沖星附近的復(fù)雜湍流區(qū)域獲得了能量提升，并沿著“手腕”、“手指”和“拇指”流向磁場均勻的區(qū)域。

“我們發(fā)現(xiàn)了脈沖星周圍超能量物質(zhì)和反物質(zhì)粒子的生命史。”論文的共同作者、來自斯坦福大學(xué)的尼科洛·迪拉拉（Niccolò Di Lalla）說，“這讓我們了解到脈沖星是如何充當(dāng)粒子加速器的?！?/p>

IXPE還檢測到了船帆座（Vela）脈沖星風(fēng)星云和蟹狀（Crab）脈沖星風(fēng)星云有類似的磁場，這意味著它們在這些天體中可能出奇地常見。

這些結(jié)果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）上的一篇新論文中。

IXPE是NASA和意大利航天局的合作項(xiàng)目，合作伙伴和科學(xué)合作者來自12個(gè)國家。IXPE由馬歇爾航天中心（Marshall Space Flight Center）領(lǐng)導(dǎo)，總部位于美國科羅拉多州布魯姆菲爾德的鮑爾宇航公司（Ball Aerospace）與美國科羅拉多大學(xué)（University of Colorado）博爾德分校大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室（Laboratory for Atmospheric and Space Physics）共同管理探測器的運(yùn)營。

NASA馬歇爾航天中心負(fù)責(zé)管理錢德拉計(jì)劃。史密松天體物理天文臺（Smithsonian Astrophysical Observatory）的錢德拉X射線中心（Chandra X-ray Center）在馬薩諸塞州的劍橋控制科學(xué)運(yùn)行，在馬薩諸塞州的伯靈頓控制飛行運(yùn)行。