看见宇宙幽灵之手的“骨头”

1895年，威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen）发现了X射线，并用它为妻子的手骨进行了成像，开启了这一革命性医学诊断工具的使用。如今，天文学家将美国航空航天局（NASA）两台X射线空间望远镜的成像能力结合在了一起，揭晓了太空中一个奇特手掌状结构的磁场“骨骼”。这两架望远镜共同揭示了一颗死亡的坍缩恒星的行为，通过能量物质和反物质粒子羽流，它仍在继续发光。

大约1500年前，银河系中一颗巨型恒星的核燃料燃烧殆尽，当这种情况发生时，恒星便会自我坍缩，形成一个密度极高的天体，也就是中子星（neutron star）。

具有强磁场的旋转中子星，或者说脉冲星（pulsar），为极端物理学提供了”实验室”，其条件是地球上无法复制的。年轻的脉冲星会产生物质和反物质喷流，这些喷流从脉冲星的两极喷出，伴随着强烈的风，形成“脉冲星风星云”（pulsar wind nebula）。

2001年，NASA的钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）首次观测到脉冲星PSR B1509-58，发现它的脉冲星风星云（名为MSH 15-52）很像一只人手。脉冲星PSR B1509-58位于星云“手掌”的底部，星云MSH 15-52距离地球16,000光年。

现在，NASA最新的X射线望远镜，X射线偏振成像探测器（Imaging X-ray Polarimetry Explorer，IXPE），已经对MSH 15-52进行了约17天的观测，这是IXPE自2021年12月发射以来对单一天体观测时间最长的一次。

“IXPE的数据为我们提供了第一张星云‘手掌’的磁场图。”这项研究的第一作者、来自美国斯坦福大学（Stanford University）的罗杰·罗曼尼（Roger Romani）说，“产生X射线的带电粒子沿着磁场移动，决定了星云的基本形状，就像人手上的骨头一样。”

IXPE提供有关X射线电场方向的信息，该方向由X射线源的磁场确定，这称为X射线偏振。在MSH 15-52的大片区域中，偏振量非常高，达到了理论研究预期的最高水平。要达到这种强度，磁场必须非常笔直且均匀，这意味着脉冲星风星云的这些区域几乎没有湍流。

“我们都熟悉作为人类诊断医疗工具的X射线。”论文的共同作者、同样来自斯坦福大学的约瑟芬·翁（Josephine Wong）说，“在这里，我们以另一种方式使用了X射线，而它再次揭示了我们无法看到的信息。”

MSH 15-52有一个特别有趣的特征，就是从脉冲星向图像底部的“手腕”喷射出明亮的X射线。新的IXPE数据显示，喷流开始处的偏振程度很低，这可能是因为这是一个湍流区域，磁场错综复杂，与高能粒子的产生有关。到了喷流的末端，磁场线似乎变直了，也变得更加均匀了，从而导致偏振也变得更大。

这些结果表明，粒子在“手掌”根部脉冲星附近的复杂湍流区域获得了能量提升，并沿着“手腕”、“手指”和“拇指”流向磁场均匀的区域。

“我们发现了脉冲星周围超能量物质和反物质粒子的生命史。”论文的共同作者、来自斯坦福大学的尼科洛·迪拉拉（Niccolò Di Lalla）说，“这让我们了解到脉冲星是如何充当粒子加速器的。”

IXPE还检测到了船帆座（Vela）脉冲星风星云和蟹状（Crab）脉冲星风星云有类似的磁场，这意味着它们在这些天体中可能出奇地常见。

这些结果发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上的一篇新论文中。

IXPE是NASA和意大利航天局的合作项目，合作伙伴和科学合作者来自12个国家。IXPE由马歇尔航天中心（Marshall Space Flight Center）领导，总部位于美国科罗拉多州布鲁姆菲尔德的鲍尔宇航公司（Ball Aerospace）与美国科罗拉多大学（University of Colorado）博尔德分校大气和空间物理实验室（Laboratory for Atmospheric and Space Physics）共同管理探测器的运营。

NASA马歇尔航天中心负责管理钱德拉计划。史密松天体物理天文台（Smithsonian Astrophysical Observatory）的钱德拉X射线中心（Chandra X-ray Center）在马萨诸塞州的剑桥控制科学运行，在马萨诸塞州的伯灵顿控制飞行运行。

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