科技圆桌派|我们为什么要观测脉冲星风云?这是科普学家的解答

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封面新闻 2022-12-25 19:37 152935

封面新闻记者 张峥

当人类把视线聚焦到浩渺的宇宙,无数的未知等待解答。

12月22日,广西大学天文与空间科学技术团队关于船帆座脉冲星风云X射线偏振观测成果《船帆座脉冲星风云X射偏振趋近同步辐射理论极限》在国际顶级期刊《自然》杂志发表。研究者运用IXPE望远镜,发现船帆座脉冲星风云存在极强的偏振,是人类目前在高能波段探测到的偏振度最高的一个天体。

船帆座脉冲星风云概念设计图

专家表示,船帆座脉冲星风云X射线辐射的偏振度趋近理论预言的最大值,证实了辐射区域的磁场完美有序,这是天文观测重大突破性成果。意大利国家天体物理研究所教授保罗•索菲塔说,“这对理解脉冲星风云的粒子加速机制,对研究脉冲星风云磁场结构具有重大意义。”

那么什么是船帆座脉冲星风云?研究脉冲星风云的意义和价值在哪里?如何理解X射线偏振?12月25日,封面新闻专访了电子科技大学航空航天学院教授、博士生导师,中国天文学会和宇航学会会员李滚。

电子科技大学航空航天学院教授、博士生导师,中国天文学会和宇航学会会员李滚

封面新闻:请科普一下什么是船帆座脉冲星风云?

李滚:要了解船帆座脉冲星风云,先要了解脉冲星。首先,脉冲星(Pulsar)是由超新星的遗骸组成的一种高度磁化的旋转中子星,因不断地辐射电磁脉冲信号而命名为脉冲星。

中子星(Neutron star)则是恒星演化到末期发生超新星爆炸之后,质量没有达到可以形成黑洞的恒星,在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体。脉冲星是在1967年首次被发现的,至今已经半个多世纪。

其次,脉冲星风云是快速旋转的脉冲星驱动的星风冲击外部物质产生的高能天体。日常生活中经常说“风云变幻”“风云际会”“虎啸生风,龙起生云”,这种脉冲星风云可以想象为由于中心天体的旋转产生“星风”,这些星风作用到周围的物质上,产生相互作用,形成的高能天体。

据天文观测,这种脉冲星星风还是比较多的,其中“船帆座脉冲星风云”距离地球约900光年(光一年飞行的距离),它是大约1万年前一颗大质量恒星发生超新星爆发之后留下的残骸体,它是距离地球最近的脉冲星风云之一。脉冲星直径大约19.3千米,其自转速度约11赫兹,和一些直升机旋翼的旋转速度相当。船帆座脉冲星风云在中心快速旋转的脉冲星的驱动带动下,能够辐射无线电、X射线、高能伽马射线等不同波段的辐射。这也是目前已知最亮的脉冲星风云之一。

封面新闻:IXPE望远镜是什么时候发射的?它的功能有哪些?

李滚:IXPE太空望远镜是X射线成像偏振探测器(X-ray Polarimetry Explorer)的简称,该望远镜由NASA和意大利航天局合作,于2021年12月9日从美国佛罗里达州的肯尼迪航天中心搭乘SpaceX的猎鹰9号运载火箭发射。

其主要目标是研究活动星系核和微类星体的几何结构和发射机制,研究磁星中的磁场配置并确定磁场的大小,研究脉冲星风星云中的粒子是如何加速的等等。IXPE利用来自天体物理源的光的偏振状态来加深我们对中子星、脉冲星风星云以及恒星和超大质量黑洞等物体中X射线的观测、分析和认知。

封面新闻:什么是X射线偏振?什么是同步辐射理论?

李滚:首先,所有的电磁波和宇宙射线具有不同的频带范围,也就是其波长和频率不同。其中X射线与可见光和电磁波一样都是电磁波信号(光波也是一种电磁波,电磁波和光波的统一性),X射线是一种频率极高,波长极短、能量很大的电磁波。X射线的频率和能量仅次于伽马射线,频率范围30PHz~300EHz,对应波长为0.01nm~10nm,能量为124eV~1.24MeV。

我们在医院做检查就是这种波段的射线。偏振是电磁波和光波的一种属性,偏振是指横波的振动矢量(垂直于波的传播方向)偏于某些方向的现象,振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。光具有波动性和粒子性,光的偏振是光的波动性的又一例证。

同步辐射是相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时发出的电磁辐射。即同步辐射或者同步光的产生需要满足三个条件:第一,有带电粒子;第二,粒子要是“相对论性”的,也就是要求粒子能量要高,速度要接近光速;第三,要求粒子运动方向与电磁场有夹角。满足这三个条件,就可以产生同步辐射了。它是一种“辐射”,根据同步辐射的定义,可以推想宇宙射线中包含有大量“天然”同步辐射。典型的同步辐射光源亮度比X射线靶产生的亮度高约6-10个数量级。一般而言光源亮度越高,其信噪比就越好。

封面新闻:船帆座脉冲星风云X射线辐射的偏振度研究有什么价值?

李滚:首先,通过X射线成像偏振望远镜,发现船帆座脉冲星风云存在极强的偏振,是目前我国科学家在高能波段探测到的偏振度最高的一个天体。

其次,X射线偏振探测的难度在于随着电磁波能量的增大,呈现的波动性会变小,更多的呈现出粒子性,电磁波能量越大越容易穿透物质,从而增加了探测难度,因此要求探测仪器具备高灵敏度,目前科学家突破了这一难题。

第三,观测表明,船帆座脉冲星风云X射线辐射的偏振度趋近理论预言的最大值,这对理解脉冲星风云的粒子加速机制,研究脉冲星风云磁场结构具有重大意义。

评论 4

  • 看看 2022-12-26 发表于四川

    不错。

  • 白雀寺村第一书记 2022-12-26 发表于四川

    探索宇宙

  • 古楼镇桃博园村第一书记蒲常平 2022-12-26 发表于四川

    探索宇宙奥秘,造福人类。

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