美国国家航空航天局的IXPE帮助解开著名爆炸恒星的秘密

天文学家首次使用美国国家航空航天局的成像X射线偏振探测器（IXPE）测量并绘制了爆炸恒星残骸的偏振X射线图。这些发现来自对一种名为仙后座a的恒星遗迹的观测，为年轻超新星遗迹的性质提供了新的线索，这些遗迹使粒子加速到接近光速。

美国国家航空航天局和意大利航天局合作的IXPE于2021年12月9日发射，是第一颗能够以这种灵敏度和清晰度测量X射线偏振的卫星。

从无线电波到伽马射线，所有形式的光都可以偏振。与我们用来遮挡阳光从潮湿的道路或挡风玻璃上反射的眩光的偏振太阳镜不同，IXPE的探测器可以绘制入射X射线的轨迹。科学家可以利用这些单独的轨迹记录来计算偏振，这告诉了X射线的经历。

Cas A超新星遗迹的合成图像，这是仙后座一颗恒星爆炸产生的结构。蓝色代表钱德拉天文台的数据，绿松石来自美国国家航空航天局的成像X射线偏振探测器（称为IXPE），金色由哈勃望远镜提供。

仙后座A（简称Cas A）是IXPE开始收集数据后观测到的第一个天体。Cas A被选中的原因之一是它的冲击波——就像喷气产生的音爆——是银河系中速度最快的。冲击波是由超新星爆炸产生的，超新星爆炸摧毁了一颗大质量恒星。爆炸产生的光在300多年前掠过地球。

“如果没有IXPE，我们就错过了像Cas A这样的天体的关键信息，”哈佛和史密森天体物理中心的Pat Slane说，他领导了IXPE对超新星遗迹的研究。“这一结果教会了我们这颗爆炸恒星碎片的一个基本方面——磁场的行为。”

磁场是看不见的，它对质子和电子等移动的带电粒子起推挽作用。在离家较近的地方，他们负责将磁铁粘在厨房冰箱上。在极端条件下，比如恒星爆炸，磁场可以将这些粒子提升到接近光速。

尽管速度极快，但在Cas A中被冲击波扫过的粒子并没有飞离超新星残骸，因为它们在冲击后被磁场捕获。粒子被迫绕磁力线旋转，电子发出一种被称为“同步辐射”的强烈光，这种光是偏振的。

通过研究这种光的偏振，科学家可以在非常小的尺度上“逆向工程”Cas A内部发生的事情——这些细节很难或不可能用其他方式观察到。极化角告诉我们这些磁场的方向。如果靠近冲击前沿的磁场非常混乱，来自不同磁场方向区域的辐射的混沌混合将产生较小的极化。

先前用射电望远镜对Cas A的研究表明，无线电同步辐射几乎在整个超新星遗迹的区域产生。天文学家发现，只有少量的无线电波是偏振的——大约5%。他们还确定磁场是径向的，就像车轮的辐条一样，从残骸的中心附近向边缘扩散。

另一方面，美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台的数据显示，X射线同步辐射主要来自撞击沿线的薄区域，靠近残骸的圆形外缘，那里的磁场预计与撞击对齐。Chandra和IXPE使用不同类型的探测器，具有不同级别的角分辨率或清晰度。Chandra于1999年推出的第一张科学图像也是Cas A。

在IXPE之前，科学家们预测X射线偏振将由垂直于射电望远镜观测到的磁场的磁场产生。

相反，IXPE数据显示，X射线中的磁场倾向于径向排列，甚至非常靠近冲击前沿。X射线还显示出比无线电观测显示的更低的偏振量，这表明X射线来自具有许多不同磁场方向的湍流区域。

阿姆斯特丹大学的Jacco Vink博士是描述Cas A上IXPE结果的论文的主要作者，他说：“这些IXPE结果并不是我们所期望的，但作为科学家，我们喜欢感到惊讶。”

Cas A的IXPE结果激发了人们对目前正在进行的超新星遗迹更多观测的兴趣。科学家们预计，每一个新观测到的物体都将揭示关于这些重要物体的新答案，并提出更多的问题，这些重要物体为宇宙注入了关键元素。

这张图结合了美国国家航空航天局成像X射线偏振探测器（IXPE）的数据、钱德拉（蓝色）的X射线图像和哈勃（金色）的仙后座a（Cas a）超新星残骸的光学光视图。这张图中的线来自IXPE测量，显示了残骸各区域的磁场方向。绿线表示测量值最高的区域。这些结果表明，Cas A外围附近的磁力线在很大程度上是径向取向的，即从残余物的中心向外的方向。IXPE的观测还表明，小区域上的磁场是高度纠缠的，没有一个主要的优选方向。

罗马意大利国家天体物理研究所/空间天体物理和行星学研究所的Riccardo Ferrazzoli博士说：“这项研究包含了IXPE给天体物理学带来的所有新颖之处。”“我们不仅首次获得了这些源的X射线偏振特性的信息，而且还知道这些信息在超新星的不同区域是如何变化的。作为IXPE观测活动的第一个目标，Cas A提供了一个天体物理‘实验室’来测试该团队近年来开发的所有技术和分析工具。”

“这些结果为将电子加速到令人难以置信的高能所需的环境提供了一个独特的视角，”合著者、同样来自阿姆斯特丹大学的德米特里•普罗霍罗夫说。“我们才刚刚开始这个侦探故事，但到目前为止，IXPE的数据为我们追踪提供了新的线索。”

IXPE是美国国家航空航天局和意大利航天局与12个国家的合作伙伴和科学合作者的合作。Ball Aerospace总部位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德，与科罗拉多大学大气与空间科学实验室共同管理航天器运行，该实验室为阿拉巴马州亨茨维尔的美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心运营IXPE。