從伽馬射線到x射線：新方法可精確定位不被注意到的脈衝星發射

基於一個新的理論模型，一個科學家團隊探索了ESA的XMM-Newton和NASA的錢德拉太空觀測站的豐富數據檔案，發現了三個來源的脈衝x射線發射。這一發現，依託以往脈衝星的伽馬射線觀測，為研究脈衝星發射的神秘機制提供了一種新的工具，對於了解這些迷人的天體，並在未來將其用於空間導航具有重要意義。脈衝星是宇宙的燈塔，是快速旋轉的中子星，發射出射線。當脈衝星旋轉，光束交替指向或遠離地球時，光源在較亮和較暗的狀態之間振蕩，產生的信號似乎每隔幾毫秒到幾秒鐘就會「脈衝」一次，其規律甚至可以與原子鐘媲美。脈衝星是一種密度極高、極具磁性的大質量恆星的遺迹，是宇宙中最極端的天體之一。

博科園-科學科普：理解粒子在如此強的磁場中如何運動是理解物質和磁場如何更普遍地相互作用的基礎。脈衝星最初是通過無線電發射被探測到，現在已知它也會發射其他類型的輻射，儘管通常數量較小。其中一些輻射是標準熱輻射——溫度高於絕對零度的物體都會發出這種輻射。脈衝星在吸積物質時釋放熱輻射，例如從另一顆恆星。但脈衝星也會發出非熱輻射，這是在最極端的宇宙環境中經常產生的。在脈衝星中，非熱輻射可以通過兩個過程產生：同步輻射和曲率輻射。這兩種過程都涉及到帶電粒子沿著磁場線被加速，從而使它們發出從無線電波到伽馬射線波長不等的光。非熱x射線主要來自同步輻射，而伽馬射線可能來自所謂的同步曲率輻射——兩種機制的結合。

PSR J1826-1256是一顆安靜的伽馬射線脈衝星，通過歐洲航天局的xmm -牛頓x射線天文台觀測到。科學家們利用一個理論模型發現了這顆脈衝星和兩個類似來源的x射線脈衝發射，該模型根據觀測到的伽馬射線亮度預測脈衝星的非熱x射線亮度。這顆脈衝星的周期為110.2毫秒，當它的輻射波束指向和遠離地球時，它的亮度和亮度交替出現。為了便於說明，這顆脈衝星的閃爍速度比這張動畫圖像中的實際速度慢10倍。圖片：ESA/XMM-Newton/J. Li, DESY, Germany

相對容易找到發射伽馬射線的脈衝星——美國國家航空航天局的費米伽馬射線太空望遠鏡在過去十年中探測到了200多個脈衝星，這要歸功於它掃描整個天空的能力，但在非熱x射線中只發現了大約20個脈衝。西班牙巴塞羅那空間科學研究所的Diego Torres說：與伽馬射線探測測量儀器不同，x射線望遠鏡必須被精確地告知指向哪裡，因此我們需要為它們提供某種指導。Torres意識到應該有許多脈衝星發射以前未被探測到的非熱x射線，他開發了一個結合同步加速器和曲率輻射的模型，以預測伽馬射線中探測到的脈衝星是否也會出現在x射線中。科學模型描述了不能直接體驗的現象。這個模型特別有助於解釋脈衝星的發射過程，可以根據已知的伽馬射線發射，預測我們應該觀察到的x射線發射。

該模型描述了費米探測到的脈衝星的伽馬射線發射——具體地說，是在不同波長下觀察到的亮度——並將這些信息與三個確定脈衝星發射的參數結合起來。這就可以預測它們在其他波長的亮度，例如x射線托雷斯與來自德國柏林附近Zeuthen的德國Elektronen同步加速器的李鍵領導的一個科學家團隊合作，選擇了三個已知的伽馬射線發射脈衝星，基於這個模型，他們希望這些脈衝星也能在x射線中發出明亮的光芒。他們挖掘了ESA的XMM-Newton和NASA的錢德拉x射線觀測站的數據檔案，尋找它們各自發出非熱x射線的證據。

不僅檢測到了這三個脈衝星的x射線脈衝，而且還發現x射線的頻譜幾乎與模型預測的相同。這意味著該模型非常準確地描述了脈衝星內部的發射過程。特別是xmm -牛頓的數據顯示了PSR J1826-1256的清晰x射線發射——這是一顆周期為110.2毫秒的射電寧靜伽馬射線脈衝星。從這顆脈衝星接收到的光譜與模型預測的非常接近。錢德拉的數據顯示，另外兩個脈衝星的x射線發射都略快一些。這一發現已經表明，已知發射非熱x射線的脈衝星總數顯著增加。該團隊預計，未來幾年還會發現更多這樣的物種，因為該模型可以用來確定在哪裡尋找它們。

觀測到的三個脈衝星的x射線和伽馬射線發射:J1747-2958(左)、J2021+3651(中)和J1826-1256(右)。利用理論模型，利用觀測到的伽馬射線亮度預測脈衝星的非熱x射線亮度，發現了x射線脈衝發射。伽馬射線觀測來自美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡;x射線觀測來自NASA的錢德拉x射線天文台(左和中)和ESA的xmm -牛頓x射線天文台(右)。圖中的紅色曲線表示描述源總體發射的模型與觀測數據(黑色符號)的最佳擬合。在上一行，只使用伽馬射線數據進行擬合:x射線能量範圍內的值代表理論預測，與後來的觀測結果非常接近。在下一行中，擬合還包括x射線數據，使用相同的模型可以更準確地描述該現象。圖片：Adapted from J. Li et al. (2018)

發現更多的x射線脈衝星對於揭示它們的全球特性，包括種群特徵非常重要。更好地了解脈衝星對於潛在地利用其精確的時間信號進行未來的空間導航工作也至關重要。這一結果有助於理解脈衝星在電磁光譜中不同部分的發射之間的關係，從而為預測脈衝星在任何給定波長的亮度提供了一種可靠的方法。這將有助於我們更好地理解脈衝星內外粒子與磁場之間的相互作用。這個模型可以準確預測脈衝星x射線的發射，它還可以預測其他波長的發射，例如可見光和紫外。在未來，希望找到新的脈衝星從而更好地了解他們的全部特性。

這項研究突出了XMM-Newton龐大的數據檔案帶來的新發現的好處，並展示了該任務探測相對暗淡源的令人印象深刻的能力。該團隊還期待使用下一代x射線太空望遠鏡，包括歐洲航天局未來的雅典娜任務，來發現更多發射非熱x射線的脈衝星。作為歐洲x射線天文學的旗艦，xmm -牛頓探測到的x射線源比以往任何一顆衛星都要多。歐空局(ESA)挪威-牛頓項目科學家諾貝特?斯加特(Norbert)斯加特(Norbert Schartel)總結道：令人驚奇的是，它正在幫助解決如此多的宇宙奧秘。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《天體物理學》

研究/來自： European Space Agency

DOI: 10.3847/2041-8213/aae92b

DOI：arxiv.org/abs/1811.08339

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