从伽马射线到x射线：新方法可精确定位不被注意到的脉冲星发射
从伽马射线到x射线：新方法可精确定位不被注意到的脉冲星发射Original
博科园
天文物理
6天前
基于一个新的理论模型，一个科学家团队探索了ESA的XMM-Newton和NASA的钱德拉太空观测站的丰富数据档案，发现了三个来源的脉冲x射线发射。这一发现，依托以往脉冲星的伽马射线观测，为研究脉冲星发射的神秘机制提供了一种新的工具，对于了解这些迷人的天体，并在未来将其用于空间导航具有重要意义。脉冲星是宇宙的灯塔，是快速旋转的中子星，发射出射线。当脉冲星旋转，光束交替指向或远离地球时，光源在较亮和较暗的状态之间振荡，产生的信号似乎每隔几毫秒到几秒钟就会“脉冲”一次，其规律甚至可以与原子钟媲美。脉冲星是一种密度极高、极具磁性的大质量恒星的遗迹，是宇宙中最极端的天体之一。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0XMX6iciaHcyM1niaz0EHsQ0cQic6W8AQ4j40nvKZpzjVjss69xBm0ymnE8sC8oDnWRjIxdibAYdpNx1Sg/640?wx_fmt=jpeg
博科园-科学科普：理解粒子在如此强的磁场中如何运动是理解物质和磁场如何更普遍地相互作用的基础。脉冲星最初是通过无线电发射被探测到，现在已知它也会发射其他类型的辐射，尽管通常数量较小。其中一些辐射是标准热辐射——温度高于绝对零度的物体都会发出这种辐射。脉冲星在吸积物质时释放热辐射，例如从另一颗恒星。但脉冲星也会发出非热辐射，这是在最极端的宇宙环境中经常产生的。在脉冲星中，非热辐射可以通过两个过程产生：同步辐射和曲率辐射。这两种过程都涉及到带电粒子沿着磁场线被加速，从而使它们发出从无线电波到伽马射线波长不等的光。非热x射线主要来自同步辐射，而伽马射线可能来自所谓的同步曲率辐射——两种机制的结合。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_gif/OOCfia0dzt0XMX6iciaHcyM1niaz0EHsQ0cQpFWIHGNmCDRc7Gs55J5n9cn70x6c3jxBFdib8QFm4M4b0SvF6q4jDvw/640?wx_fmt=gifPSR J1826-1256是一颗安静的伽马射线脉冲星，通过欧洲航天局的xmm -牛顿x射线天文台观测到。科学家们利用一个理论模型发现了这颗脉冲星和两个类似来源的x射线脉冲发射，该模型根据观测到的伽马射线亮度预测脉冲星的非热x射线亮度。这颗脉冲星的周期为110.2毫秒，当它的辐射波束指向和远离地球时，它的亮度和亮度交替出现。为了便于说明，这颗脉冲星的闪烁速度比这张动画图像中的实际速度慢10倍。图片：ESA/XMM-Newton/J. Li, DESY, Germanyhttps://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0XMX6iciaHcyM1niaz0EHsQ0cQFPyl6EWD3gNDL97icYh82cx9AsIpWdW7Ob7nqOrVZtwl1Jx5eOHkEpA/640?wx_fmt=jpeg相对容易找到发射伽马射线的脉冲星——美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜在过去十年中探测到了200多个脉冲星，这要归功于它扫描整个天空的能力，但在非热x射线中只发现了大约20个脉冲。西班牙巴塞罗那空间科学研究所的Diego Torres说：与伽马射线探测测量仪器不同，x射线望远镜必须被精确地告知指向哪里，因此我们需要为它们提供某种指导。Torres意识到应该有许多脉冲星发射以前未被探测到的非热x射线，他开发了一个结合同步加速器和曲率辐射的模型，以预测伽马射线中探测到的脉冲星是否也会出现在x射线中。科学模型描述了不能直接体验的现象。这个模型特别有助于解释脉冲星的发射过程，可以根据已知的伽马射线发射，预测我们应该观察到的x射线发射。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0XMX6iciaHcyM1niaz0EHsQ0cQa08AMiayxBwia6ebJTQk80jja1UTCthHQe4PIuphMibaOw7QRCjbD4aQQ/640?wx_fmt=jpeg该模型描述了费米探测到的脉冲星的伽马射线发射——具体地说，是在不同波长下观察到的亮度——并将这些信息与三个确定脉冲星发射的参数结合起来。这就可以预测它们在其他波长的亮度，例如x射线托雷斯与来自德国柏林附近Zeuthen的德国Elektronen同步加速器的李键领导的一个科学家团队合作，选择了三个已知的伽马射线发射脉冲星，基于这个模型，他们希望这些脉冲星也能在x射线中发出明亮的光芒。他们挖掘了ESA的XMM-Newton和NASA的钱德拉x射线观测站的数据档案，寻找它们各自发出非热x射线的证据。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0XMX6iciaHcyM1niaz0EHsQ0cQoicpl6zVZv8CI2hUVmwLdBV6SR2giaz64icyssJvguwtKkGU9UAqfuNmw/640?wx_fmt=jpeg不仅检测到了这三个脉冲星的x射线脉冲，而且还发现x射线的频谱几乎与模型预测的相同。这意味着该模型非常准确地描述了脉冲星内部的发射过程。特别是xmm -牛顿的数据显示了PSR J1826-1256的清晰x射线发射——这是一颗周期为110.2毫秒的射电宁静伽马射线脉冲星。从这颗脉冲星接收到的光谱与模型预测的非常接近。钱德拉的数据显示，另外两个脉冲星的x射线发射都略快一些。这一发现已经表明，已知发射非热x射线的脉冲星总数显著增加。该团队预计，未来几年还会发现更多这样的物种，因为该模型可以用来确定在哪里寻找它们。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0XMX6iciaHcyM1niaz0EHsQ0cQ10eDFSLUa0mB4RwWTWYPhibgDf0FlVicuRG3snn1PqQiahujCjTibeEA4Q/640?wx_fmt=jpeg观测到的三个脉冲星的x射线和伽马射线发射:J1747-2958(左)、J2021+3651(中)和J1826-1256(右)。利用理论模型，利用观测到的伽马射线亮度预测脉冲星的非热x射线亮度，发现了x射线脉冲发射。伽马射线观测来自美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜;x射线观测来自NASA的钱德拉x射线天文台(左和中)和ESA的xmm -牛顿x射线天文台(右)。图中的红色曲线表示描述源总体发射的模型与观测数据(黑色符号)的最佳拟合。在上一行，只使用伽马射线数据进行拟合:x射线能量范围内的值代表理论预测，与后来的观测结果非常接近。在下一行中，拟合还包括x射线数据，使用相同的模型可以更准确地描述该现象。图片：Adapted from J. Li et al. (2018)https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0XMX6iciaHcyM1niaz0EHsQ0cQ7AaRZX4l6l50JHLn2L8wqibtK22gjxDsXG8Ekl5Des9sgcAfVAFM7gw/640?wx_fmt=jpeg发现更多的x射线脉冲星对于揭示它们的全球特性，包括种群特征非常重要。更好地了解脉冲星对于潜在地利用其精确的时间信号进行未来的空间导航工作也至关重要。这一结果有助于理解脉冲星在电磁光谱中不同部分的发射之间的关系，从而为预测脉冲星在任何给定波长的亮度提供了一种可靠的方法。这将有助于我们更好地理解脉冲星内外粒子与磁场之间的相互作用。这个模型可以准确预测脉冲星x射线的发射，它还可以预测其他波长的发射，例如可见光和紫外。在未来，希望找到新的脉冲星从而更好地了解他们的全部特性。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0XMX6iciaHcyM1niaz0EHsQ0cQkeqw2B1qicp5lAsMDs6ztLGZ9tXB2J9jNJpOSYe1MJCX1Mph2RibI2Cw/640?wx_fmt=jpeg这项研究突出了XMM-Newton庞大的数据档案带来的新发现的好处，并展示了该任务探测相对暗淡源的令人印象深刻的能力。该团队还期待使用下一代x射线太空望远镜，包括欧洲航天局未来的雅典娜任务，来发现更多发射非热x射线的脉冲星。作为欧洲x射线天文学的旗舰，xmm -牛顿探测到的x射线源比以往任何一颗卫星都要多。欧空局(ESA)挪威-牛顿项目科学家诺贝特?斯加特(Norbert)斯加特(Norbert Schartel)总结道：令人惊奇的是，它正在帮助解决如此多的宇宙奥秘。
博科园-科学科普｜参考期刊文献:《天体物理学》研究/来自： European Space AgencyDOI: 10.3847/2041-8213/aae92bDOI：arxiv.org/abs/1811.08339
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