通過利用NASA的成像X射線偏振探測儀(IXPE)，天文學(xué)家們首次測量并繪制了來自一顆爆炸恒星殘骸的偏振X射線。這些發(fā)現(xiàn)來自于對(duì)仙后座A的觀測。仙后座A是一顆著名的恒星殘骸。這些結(jié)果為年輕的超新星殘骸的性質(zhì)提供了新的啟示，據(jù)悉，這些殘骸將粒子加速到接近光的傳播速度。
IXPE于2021年12月9日發(fā)射，由NASA和意大利航天局合作，是第一個(gè)能以這種敏感度和清晰度測量X射線光偏振的衛(wèi)星。它旨在發(fā)現(xiàn)宇宙中一些最極端天體的秘密--超新星爆炸的殘余物、由進(jìn)食黑洞吐出的強(qiáng)大粒子流等。
所有形式的光--從無線電波到伽馬射線--都可以被偏振。跟我們用來減少陽光從潮濕的道路或擋風(fēng)玻璃上反彈的眩光的偏光太陽鏡不同，IXPE的探測器繪制了進(jìn)入的X射線光的軌跡。科學(xué)家們可以利用這些單獨(dú)的軌跡記錄來計(jì)算出偏振，這就說明了X射線所經(jīng)歷的故事。
仙后座A(簡稱Cas A)是IXPE開始收集數(shù)據(jù)后觀察到的第一個(gè)天體。仙后座A被選中的原因之一是它的沖擊波--就像噴射器產(chǎn)生的音爆--是銀河系中最快的一些。沖擊波是由超新星爆炸產(chǎn)生，超新星爆炸摧毀了一顆巨大的恒星后，它坍塌了。爆炸產(chǎn)生的光線在三百多年前掠過地球。
哈佛大學(xué)和史密森學(xué)會(huì)天體物理學(xué)中心的Pat Slane說道：“如果沒有IXPE，我們一直在錯(cuò)過有關(guān)Cas A這樣的天體的關(guān)鍵信息，他領(lǐng)導(dǎo)著IXPE對(duì)超新星遺跡的調(diào)查。這個(gè)結(jié)果讓我們了解到這個(gè)爆炸恒星的碎片的一個(gè)基本方面--其磁場的行為。”
磁場是不可見的，它對(duì)質(zhì)子和電子等移動(dòng)的帶電粒子進(jìn)行推拉。在家里，它們負(fù)責(zé)使磁鐵粘在廚房的冰箱上。在極端條件下，如一顆爆炸的恒星，磁場可以將這些粒子提升到接近光速。
盡管它們的速度超快，但被Cas A中的沖擊波卷起的粒子并沒有飛離超新星殘骸，這是因?yàn)樗鼈儽粵_擊波后的磁場所困住。這些粒子被迫繞著磁場線旋轉(zhuǎn)，電子發(fā)出一種強(qiáng)烈的光，稱為“同步輻射”，它是偏振的。
通過研究這種光的偏振，科學(xué)家可以在非常小的尺度上“反向設(shè)計(jì)”Cas A內(nèi)部發(fā)生的事情--這些細(xì)節(jié)以其他方式很難或不可能觀察到。偏振的角度告訴我們這些磁場的方向。如果靠近沖擊前沿的磁場非常糾結(jié)，那么來自不同磁場方向的區(qū)域的混亂的混合輻射將發(fā)出較小的偏振量。
以前用射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)Cas A的研究表明，射電同步輻射是在幾乎整個(gè)超新星遺跡的區(qū)域產(chǎn)生。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只有少量的無線電波被極化--約5%。他們還確定，磁場的方向是徑向的，就像車輪的輻條，從殘余物的中心附近向邊緣擴(kuò)散。
另一方面，來自NASA錢德拉X射線天文臺(tái)的數(shù)據(jù)顯示，X射線同步輻射主要來自沿沖擊的稀薄區(qū)域，靠近殘余物的圓形外緣，在那里磁場被預(yù)測為與沖擊對(duì)齊。錢德拉和IXPE使用不同種類的探測器，具有不同的角度分辨率或清晰度。1999年發(fā)射的錢德拉的第一張科學(xué)圖像也是Cas A的。
相反，IXPE的數(shù)據(jù)顯示，X射線中的磁場傾向于在徑向方向上排列，甚至非常接近沖擊前沿。X射線還顯示出比無線電觀測所顯示的偏振量要低，這表明X射線來自于混合了許多不同磁場方向的湍流區(qū)。
來自阿姆斯特丹大學(xué)的Jacco Vink博士是描述Cas A的IXPE結(jié)果的論文的第一作者，他說道：“這些IXPE結(jié)果跟我們的預(yù)期不同，但作為科學(xué)家，我們喜歡驚喜。事實(shí)上，較小比例的X射線是偏振的，這是Cas A的一個(gè)非常有趣的--而且以前沒有發(fā)現(xiàn)的--特性。”
關(guān)于Cas A的IXPE結(jié)果正在吊起人們的胃口，對(duì)目前正在進(jìn)行的超新星殘余物的更多觀測。科學(xué)家們希望每一個(gè)新觀測對(duì)象都能揭示新的答案--并提出更多的問題--關(guān)于這些為宇宙注入關(guān)鍵元素的重要天體。
意大利國家天體物理研究所/羅馬空間天體物理學(xué)和行星學(xué)研究所的Riccardo Ferrazzoli博士說道：“這項(xiàng)研究體現(xiàn)了IXPE給天體物理學(xué)帶來的所有新東西。我們不僅首次獲得了這些來源的X射線偏振特性的信息，而且我們還知道這些偏振特性在超新星的不同區(qū)域是如何變化的。作為IXPE觀測活動(dòng)的第一個(gè)目標(biāo)，Cas A提供了一個(gè)天體物理學(xué)的‘實(shí)驗(yàn)室’來測試團(tuán)隊(duì)近年來開發(fā)的所有技術(shù)和分析工具。”
研究論文共同作者、阿姆斯特丹大學(xué)的Dmitry Prokhorov表示：“這些結(jié)果為將電子加速到令人難以置信的高能量所需的環(huán)境提供了一個(gè)獨(dú)特的視角。我們只是在這個(gè)偵探故事的開始，但到目前為止，IXPE的數(shù)據(jù)正在為我們提供新的線索來進(jìn)行追蹤。”
