基于一個新的理論模型，一個科學(xué)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(shù)據(jù)檔案，發(fā)現(xiàn)了三個來源的脈沖x射線發(fā)射。

這一發(fā)現(xiàn)，依托以往脈沖星的伽馬射線觀測，為研究脈沖星發(fā)射的神秘機制提供了一種新的工具，對于了解這些迷人的天體，并在未來將其用于空間導(dǎo)航具有重要意義。脈沖星是宇宙的燈塔，是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，發(fā)射出射線。當(dāng)脈沖星旋轉(zhuǎn)，光束交替指向或遠(yuǎn)離地球時，光源在較亮和較暗的狀態(tài)之間振蕩，產(chǎn)生的信號似乎每隔幾毫秒到幾秒鐘就會“脈沖”一次，其規(guī)律甚至可以與原子鐘媲美。脈沖星是一種密度極高、極具磁性的大質(zhì)量恒星的遺跡，是宇宙中最極端的天體之一。

博科園-科學(xué)科普：理解粒子在如此強的磁場中如何運動是理解物質(zhì)和磁場如何更普遍地相互作用的基礎(chǔ)。脈沖星最初是通過無線電發(fā)射被探測到，現(xiàn)在已知它也會發(fā)射其他類型的輻射，盡管通常數(shù)量較小。其中一些輻射是標(biāo)準(zhǔn)熱輻射——溫度高于絕對零度的物體都會發(fā)出這種輻射。脈沖星在吸積物質(zhì)時釋放熱輻射，例如從另一顆恒星。但脈沖星也會發(fā)出非熱輻射，這是在最極端的宇宙環(huán)境中經(jīng)常產(chǎn)生的。在脈沖星中，非熱輻射可以通過兩個過程產(chǎn)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(fā)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(jié)合。

PSR J1826-1256是一顆安靜的伽馬射線脈沖星，通過歐洲航天局的xmm -牛頓x射線天文臺觀測到?？茖W(xué)家們利用一個理論模型發(fā)現(xiàn)了這顆脈沖星和兩個類似來源的x射線脈沖發(fā)射，該模型根據(jù)觀測到的伽馬射線亮度預(yù)測脈沖星的非熱x射線亮度。這顆脈沖星的周期為110.2毫秒，當(dāng)它的輻射波束指向和遠(yuǎn)離地球時，它的亮度和亮度交替出現(xiàn)。為了便于說明，這顆脈沖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(fā)射伽馬射線的脈沖星——美國國家航空航天局的費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡在過去十年中探測到了200多個脈沖星，這要歸功于它掃描整個天空的能力，但在非熱x射線中只發(fā)現(xiàn)了大約20個脈沖。西班牙巴塞羅那空間科學(xué)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(yuǎn)鏡必須被精確地告知指向哪里，因此我們需要為它們提供某種指導(dǎo)。Torres意識到應(yīng)該有許多脈沖星發(fā)射以前未被探測到的非熱x射線，他開發(fā)了一個結(jié)合同步加速器和曲率輻射的模型，以預(yù)測伽馬射線中探測到的脈沖星是否也會出現(xiàn)在x射線中?？茖W(xué)模型描述了不能直接體驗的現(xiàn)象。這個模型特別有助于解釋脈沖星的發(fā)射過程，可以根據(jù)已知的伽馬射線發(fā)射，預(yù)測我們應(yīng)該觀察到的x射線發(fā)射。

該模型描述了費米探測到的脈沖星的伽馬射線發(fā)射——具體地說，是在不同波長下觀察到的亮度——并將這些信息與三個確定脈沖星發(fā)射的參數(shù)結(jié)合起來。這就可以預(yù)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(lǐng)導(dǎo)的一個科學(xué)家團隊合作，選擇了三個已知的伽馬射線發(fā)射脈沖星，基于這個模型，他們希望這些脈沖星也能在x射線中發(fā)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(shù)據(jù)檔案，尋找它們各自發(fā)出非熱x射線的證據(jù)。

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

觀測到的三個脈沖星的x射線和伽馬射線發(fā)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(yù)測脈沖星的非熱x射線亮度，發(fā)現(xiàn)了x射線脈沖發(fā)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(yuǎn)鏡;x射線觀測來自NASA的錢德拉x射線天文臺(左和中)和ESA的xmm -牛頓x射線天文臺(右)。圖中的紅色曲線表示描述源總體發(fā)射的模型與觀測數(shù)據(jù)(黑色符號)的最佳擬合。在上一行，只使用伽馬射線數(shù)據(jù)進行擬合:x射線能量范圍內(nèi)的值代表理論預(yù)測，與后來的觀測結(jié)果非常接近。在下一行中，擬合還包括x射線數(shù)據(jù)，使用相同的模型可以更準(zhǔn)確地描述該現(xiàn)象。圖片：Adapted from J. Li et al. (2018)

發(fā)現(xiàn)更多的x射線脈沖星對于揭示它們的全球特性，包括種群特征非常重要。更好地了解脈沖星對于潛在地利用其精確的時間信號進行未來的空間導(dǎo)航工作也至關(guān)重要。這一結(jié)果有助于理解脈沖星在電磁光譜中不同部分的發(fā)射之間的關(guān)系，從而為預(yù)測脈沖星在任何給定波長的亮度提供了一種可靠的方法。這將有助于我們更好地理解脈沖星內(nèi)外粒子與磁場之間的相互作用。這個模型可以準(zhǔn)確預(yù)測脈沖星x射線的發(fā)射，它還可以預(yù)測其他波長的發(fā)射，例如可見光和紫外。在未來，希望找到新的脈沖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(shù)據(jù)檔案帶來的新發(fā)現(xiàn)的好處，并展示了該任務(wù)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(yuǎn)鏡，包括歐洲航天局未來的雅典娜任務(wù)，來發(fā)現(xiàn)更多發(fā)射非熱x射線的脈沖星。作為歐洲x射線天文學(xué)的旗艦，xmm -牛頓探測到的x射線源比以往任何一顆衛(wèi)星都要多。歐空局(ESA)挪威-牛頓項目科學(xué)家諾貝特?斯加特(Norbert)斯加特(Norbert Schartel)總結(jié)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(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《天體物理學(xué)》

研究/來自：?European Space Agency

DOI: 10.3847/2041-8213/aae92b

DOI：arxiv.org/abs/1811.08339?

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