慧眼衛(wèi)星觀測(cè)吸積脈沖星藝術(shù)圖

中子星是宇宙中具有最強(qiáng)磁場(chǎng)的天體，對(duì)其X射線能譜的回旋吸收線的探測(cè)是目前直接測(cè)量中子星表面磁場(chǎng)的唯一方法。最近，“慧眼”衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)在編號(hào)為Swift J0243.6+6124的中子星X射線雙星發(fā)現(xiàn)了能量高達(dá)146千電子伏的回旋吸收線，對(duì)應(yīng)超過16億特斯拉的中子星表面磁場(chǎng)，繼2020年直接測(cè)量到約10億特斯拉的宇宙最強(qiáng)磁場(chǎng)之后，再次大幅度刷新了最高能量回旋吸收線和宇宙最強(qiáng)磁場(chǎng)直接測(cè)量的世界紀(jì)錄。該項(xiàng)研究主要由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與德國(guó)圖賓根大學(xué)合作完成，近日在《天體物理雜志通訊》(Astrophysical Journal Letters)在線發(fā)表。

中子星X射線雙星系統(tǒng)由中子星與其伴隨恒星組成，伴隨恒星的氣體在中子星的強(qiáng)引力作用下落向中子星，形成了圍繞中子星高速轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體盤，稱為吸積盤。吸積盤上的物質(zhì)會(huì)沿著中子星的磁力線落到中子星表面，發(fā)出強(qiáng)烈的X射線輻射，該輻射隨著中子星的轉(zhuǎn)動(dòng)，形成周期性的X射線脈沖信號(hào)，因此這類天體也被稱為“X射線吸積脈沖星”。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這一類天體在X射線輻射能譜上會(huì)出現(xiàn)“凹陷”結(jié)構(gòu)，這是X射線光子被在磁場(chǎng)中回旋運(yùn)動(dòng)的電子共振散射吸收造成的，被稱為回旋吸收線。回旋吸收線處的能量對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度就是中子星表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這是目前直接測(cè)量中子星表面附近磁場(chǎng)強(qiáng)度的唯一方法。

超亮X射線脈沖星曾在銀河系以外的多個(gè)星系里發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)家推測(cè)其脈沖星的磁場(chǎng)強(qiáng)度很高，但并沒有直接測(cè)量證據(jù)。“慧眼”衛(wèi)星對(duì)銀河系內(nèi)第一顆超亮X射線脈沖星Swift J0243.6+6124的爆發(fā)進(jìn)行了詳盡的寬能段觀測(cè)，此次，在其能譜上以大約10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差發(fā)現(xiàn)了能量高達(dá)146千電子伏的回旋吸收線，對(duì)應(yīng)超過16億特斯拉的中子星表面磁場(chǎng)。這不僅是迄今宇宙天體磁場(chǎng)直接測(cè)量的最高紀(jì)錄，也首次在超亮X射線源中直接測(cè)量了其中子星的表面磁場(chǎng)。

通常認(rèn)為，中子星的表面磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有延展范圍很大的偶極磁場(chǎng)，也有局限于中子星表面附近的多極磁場(chǎng)。曾經(jīng)，各種間接方法只能估算延展較遠(yuǎn)的中子星偶極磁場(chǎng)。本次“慧眼”衛(wèi)星直接測(cè)量到Swift J0243.6+6124的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度，比通過間接方法給出的偶極磁場(chǎng)強(qiáng)度高大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，說明其對(duì)應(yīng)于中子星表面附近的多極磁場(chǎng)。這是首次從觀測(cè)上直接證明中子星除兩極對(duì)稱的偶極磁場(chǎng)外，的確具有更加復(fù)雜的非對(duì)稱磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

慧眼衛(wèi)星是我國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星，承載高能X射線望遠(yuǎn)鏡、中能X射線望遠(yuǎn)鏡和低能X射線望遠(yuǎn)鏡三種科學(xué)載荷和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器，與國(guó)外的X射線衛(wèi)星相比，慧眼衛(wèi)星具有覆蓋能段寬、在高能X射線能段的有效面積最大、時(shí)間分辨率高、觀測(cè)強(qiáng)源沒有光子堆積效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)，打開了觀測(cè)黑洞、中子星硬X射線快速光變和能譜研究的新窗口。“慧眼”衛(wèi)星已連續(xù)三次刷新回旋吸收線能量測(cè)量的最高紀(jì)錄，表現(xiàn)出在探測(cè)天體高能X射線能譜方面具有國(guó)際領(lǐng)先的獨(dú)特能力。