看见宇宙幽灵之手的“骨头”

X射线：NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE)红外线：NASA/JPL-Caltech/DECaPS图像处理：NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

1895年，威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen）发现了X射线，并用它为妻子的手骨进行了成像，开启了这一革命性医学诊断工具的使用。如今，天文学家将美国航空航天局（NASA）两台X射线空间望远镜的成像能力结合在了一起，揭晓了太空中一个奇特手掌状结构的磁场“骨骼”。这两架望远镜共同揭示了一颗死亡的坍缩恒星的行为，通过能量物质和反物质粒子羽流，它仍在继续发光。

大约1500年前，银河系中一颗巨型恒星的核燃料燃烧殆尽，当这种情况发生时，恒星便会自我坍缩，形成一个密度极高的天体，也就是中子星（neutron star）。

具有强磁场的旋转中子星，或者说脉冲星（pulsar），为极端物理学提供了”实验室”，其条件是地球上无法复制的。年轻的脉冲星会产生物质和反物质喷流，这些喷流从脉冲星的两极喷出，伴随着强烈的风，形成“脉冲星风星云”（pulsar wind nebula）。

通过结合钱德拉和IXPE的数据，天文学家正在进一步了解脉冲星是如何向太空注入粒子并塑造其环境的。图中显示的是X射线数据和来自智利暗能量相机（Dark Energy Camera）的红外数据。年轻的脉冲星会产生物质和反物质喷流，从脉冲星的两极向外移动，同时产生强烈的风，形成“脉冲星风星云”。图中被称为MSH 15-52的脉冲星风星云外形酷似人类的手掌，提供了让天文学家了解这些天体是如何形成的信息。X射线：NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE)红外：NASA/JPL-Caltech/DECaPS图像处理：NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

2001年，NASA的钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）首次观测到脉冲星PSR B1509-58，发现它的脉冲星风星云（名为MSH 15-52）很像一只人手。脉冲星PSR B1509-58位于星云“手掌”的底部，星云MSH 15-52距离地球16,000光年。

现在，NASA最新的X射线望远镜，X射线偏振成像探测器（Imaging X-ray Polarimetry Explorer，IXPE），已经对MSH 15-52进行了约17天的观测，这是IXPE自2021年12月发射以来对单一天体观测时间最长的一次。

“IXPE的数据为我们提供了第一张星云‘手掌’的磁场图。”这项研究的第一作者、来自美国斯坦福大学（Stanford University）的罗杰·罗曼尼（Roger Romani）说，“产生X射线的带电粒子沿着磁场移动，决定了星云的基本形状，就像人手上的骨头一样。”

IXPE提供有关X射线电场方向的信息，该方向由X射线源的磁场确定，这称为X射线偏振。在MSH 15-52的大片区域中，偏振量非常高，达到了理论研究预期的最高水平。要达到这种强度，磁场必须非常笔直且均匀，这意味着脉冲星风星云的这些区域几乎没有湍流。

“我们都熟悉作为人类诊断医疗工具的X射线。”论文的共同作者、同样来自斯坦福大学的约瑟芬·翁（Josephine Wong）说，“在这里，我们以另一种方式使用了X射线，而它再次揭示了我们无法看到的信息。”

MSH 15-52有一个特别有趣的特征，就是从脉冲星向图像底部的“手腕”喷射出明亮的X射线。新的IXPE数据显示，喷流开始处的偏振程度很低，这可能是因为这是一个湍流区域，磁场错综复杂，与高能粒子的产生有关。到了喷流的末端，磁场线似乎变直了，也变得更加均匀了，从而导致偏振也变得更大。

X射线：NASA/CXC/Stanford Univ./R. Romani et al. (Chandra); NASA/MSFC (IXPE)红外：NASA/JPL-Caltech/DECaPS图像处理：Image Processing: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt

这些结果表明，粒子在“手掌”根部脉冲星附近的复杂湍流区域获得了能量提升，并沿着“手腕”、“手指”和“拇指”流向磁场均匀的区域。

“我们发现了脉冲星周围超能量物质和反物质粒子的生命史。”论文的共同作者、来自斯坦福大学的尼科洛·迪拉拉（Niccolò Di Lalla）说，“这让我们了解到脉冲星是如何充当粒子加速器的。”

IXPE还检测到了船帆座（Vela）脉冲星风星云和蟹状（Crab）脉冲星风星云有类似的磁场，这意味着它们在这些天体中可能出奇地常见。

这些结果发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上的一篇新论文中。

IXPE是NASA和意大利航天局的合作项目，合作伙伴和科学合作者来自12个国家。IXPE由马歇尔航天中心（Marshall Space Flight Center）领导，总部位于美国科罗拉多州布鲁姆菲尔德的鲍尔宇航公司（Ball Aerospace）与美国科罗拉多大学（University of Colorado）博尔德分校大气和空间物理实验室（Laboratory for Atmospheric and Space Physics）共同管理探测器的运营。

NASA马歇尔航天中心负责管理钱德拉计划。史密松天体物理天文台（Smithsonian Astrophysical Observatory）的钱德拉X射线中心（Chandra X-ray Center）在马萨诸塞州的剑桥控制科学运行，在马萨诸塞州的伯灵顿控制飞行运行。

来源: NASA爱好者

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