科技圓桌派｜我們為什么要觀測脈沖星風云？這是科普學家的解答

封面新聞記者 張崢

(資料圖片)

當人類把視線聚焦到浩渺的宇宙，無數的未知等待解答。

12月22日，廣西大學天文與空間科學技術團隊關于船帆座脈沖星風云X射線偏振觀測成果《船帆座脈沖星風云X射偏振趨近同步輻射理論極限》在國際頂級期刊《自然》雜志發表。研究者運用IXPE望遠鏡，發現船帆座脈沖星風云存在極強的偏振，是人類目前在高能波段探測到的偏振度最高的一個天體。

船帆座脈沖星風云概念設計圖

專家表示，船帆座脈沖星風云X射線輻射的偏振度趨近理論預言的最大值，證實了輻射區域的磁場完美有序，這是天文觀測重大突破性成果。意大利國家天體物理研究所教授保羅?索菲塔說，“這對理解脈沖星風云的粒子加速機制，對研究脈沖星風云磁場結構具有重大意義。”

那么什么是船帆座脈沖星風云？研究脈沖星風云的意義和價值在哪里？如何理解X射線偏振？12月25日，封面新聞專訪了電子科技大學航空航天學院教授、博士生導師，中國天文學會和宇航學會會員李滾。

電子科技大學航空航天學院教授、博士生導師，中國天文學會和宇航學會會員李滾

封面新聞：請科普一下什么是船帆座脈沖星風云？

李滾：要了解船帆座脈沖星風云，先要了解脈沖星。首先，脈沖星（Pulsar）是由超新星的遺骸組成的一種高度磁化的旋轉中子星，因不斷地輻射電磁脈沖信號而命名為脈沖星。

中子星（Neutron star）則是恒星演化到末期發生超新星爆炸之后，質量沒有達到可以形成黑洞的恒星，在壽命終結時塌縮形成的一種介于白矮星和黑洞之間的星體。脈沖星是在1967年首次被發現的，至今已經半個多世紀。

其次，脈沖星風云是快速旋轉的脈沖星驅動的星風沖擊外部物質產生的高能天體。日常生活中經常說“風云變幻”“風云際會”“虎嘯生風，龍起生云”，這種脈沖星風云可以想象為由于中心天體的旋轉產生“星風”，這些星風作用到周圍的物質上，產生相互作用，形成的高能天體。

據天文觀測，這種脈沖星星風還是比較多的，其中“船帆座脈沖星風云”距離地球約900光年(光一年飛行的距離)，它是大約1萬年前一顆大質量恒星發生超新星爆發之后留下的殘骸體，它是距離地球最近的脈沖星風云之一。脈沖星直徑大約19.3千米，其自轉速度約11赫茲，和一些直升機旋翼的旋轉速度相當。船帆座脈沖星風云在中心快速旋轉的脈沖星的驅動帶動下，能夠輻射無線電、X射線、高能伽馬射線等不同波段的輻射。這也是目前已知最亮的脈沖星風云之一。

封面新聞：IXPE望遠鏡是什么時候發射的？它的功能有哪些？

李滾：IXPE太空望遠鏡是X射線成像偏振探測器（X-ray Polarimetry Explorer）的簡稱，該望遠鏡由NASA和意大利航天局合作，于2021年12月9日從美國佛羅里達州的肯尼迪航天中心搭乘SpaceX的獵鷹9號運載火箭發射。

其主要目標是研究活動星系核和微類星體的幾何結構和發射機制，研究磁星中的磁場配置并確定磁場的大小，研究脈沖星風星云中的粒子是如何加速的等等。IXPE利用來自天體物理源的光的偏振狀態來加深我們對中子星、脈沖星風星云以及恒星和超大質量黑洞等物體中X射線的觀測、分析和認知。

封面新聞：什么是X射線偏振？什么是同步輻射理論？

李滾：首先，所有的電磁波和宇宙射線具有不同的頻帶范圍，也就是其波長和頻率不同。其中X射線與可見光和電磁波一樣都是電磁波信號(光波也是一種電磁波，電磁波和光波的統一性)，X射線是一種頻率極高，波長極短、能量很大的電磁波。X射線的頻率和能量僅次于伽馬射線，頻率范圍30PHz~300EHz，對應波長為0.01nm~10nm，能量為124eV~1.24MeV。

我們在醫院做檢查就是這種波段的射線。偏振是電磁波和光波的一種屬性，偏振是指橫波的振動矢量(垂直于波的傳播方向)偏于某些方向的現象，振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振，光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現象叫做光的偏振。光具有波動性和粒子性，光的偏振是光的波動性的又一例證。

同步輻射是相對論性帶電粒子在電磁場的作用下沿彎轉軌道行進時發出的電磁輻射。即同步輻射或者同步光的產生需要滿足三個條件：第一，有帶電粒子；第二，粒子要是“相對論性”的，也就是要求粒子能量要高，速度要接近光速；第三，要求粒子運動方向與電磁場有夾角。滿足這三個條件，就可以產生同步輻射了。它是一種“輻射”，根據同步輻射的定義，可以推想宇宙射線中包含有大量“天然”同步輻射。典型的同步輻射光源亮度比X射線靶產生的亮度高約6-10個數量級。一般而言光源亮度越高，其信噪比就越好。

封面新聞：船帆座脈沖星風云X射線輻射的偏振度研究有什么價值？

李滾：首先，通過X射線成像偏振望遠鏡，發現船帆座脈沖星風云存在極強的偏振，是目前我國科學家在高能波段探測到的偏振度最高的一個天體。

其次，X射線偏振探測的難度在于隨著電磁波能量的增大，呈現的波動性會變小，更多的呈現出粒子性，電磁波能量越大越容易穿透物質，從而增加了探測難度，因此要求探測儀器具備高靈敏度，目前科學家突破了這一難題。

第三，觀測表明，船帆座脈沖星風云X射線輻射的偏振度趨近理論預言的最大值，這對理解脈沖星風云的粒子加速機制，研究脈沖星風云磁場結構具有重大意義。

標簽： 射線輻射 傳播方向