我国学者在利用空间天文卫星方面实现技术突破
日期 2020-06-04  来源:数理科学部  作者:刘强 冯骅

       在国家自然科学基金项目(批准号:11633003、11821303)资助下,清华大学天文系冯骅教授领衔的合作团队随卫星发射了“极光计划”空间X射线偏振仪,经过一年的观测,探测到来自蟹状星云及脉冲星的X射线偏振信号,并首次发现了脉冲星自转突变后X射线偏振信号的变化。研究成果以“蟹状星云软X射线偏振的重新探测及可能的时间变化(Re-detection and a possible time variation of soft X-ray polarization from the Crab)”为题,于2020年5月11日在线发表在《自然·天文》(Nature Astronomy)上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41550-020-1088-1。

  由于技术困难,几个千电子伏特(keV)能区的天文X射线偏振一直难以测量。上世纪70年代以来,科学界一直没有进行过相关实验。2001年,随着核探测技术的发展,意大利科学家证实了一种新型粒子探测技术可用于高灵敏度X射线偏振测量。2009年,科研团队在国际合作的基础上,开始在国内开展此方面研究,完成了原理验证和性能改进,并研制了空间飞行样机。2018年底,团队抓住机会将探测器发射上天,探测来自蟹状星云及脉冲星的X射线偏振信号。

  经过一年的观测,发现了脉冲星自转突变(glitch)后X射线偏振信号的变化。“极光”的观测结果表明,在自转突变后脉冲星磁层发生了变化,从而导致偏振发生改变。脉冲星自转突变的物理机制仍然未知,可能的解释是超流中子涡丝与壳层晶格间突然去钉扎,导致超流中子与壳层之间的角动量交换。对蟹状星云脉冲星而言,星震也可能是触发自转突变的诱因。如果星震发生在极区附近,就有很大可能引起磁层变化。由于脉冲星的高能辐射机制仍未知,极冠区、外间隙区甚至在光速圆柱外都有可能产生。偏振变化说明脉冲星高能辐射区域可能距离脉冲星表面较远,此次结果对脉冲星高能辐射机制的不同模型有限制意义,也可能意味着脉冲星的磁场比想象的更复杂。

  该研究通过空间X射线偏振仪探测了来自蟹状星云及脉冲星的X射线偏振信号,证明了新型粒子探测技术切实可行。该技术将应用在我国未来大型空间天文台——增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP)上。同期杂志的专家来自瑞典皇家理工的莫西·凯斯(Mozsi Kiss)在评论文章里说:“冯骅与合作者结束了天文软X射线偏振测量40年的停滞”。

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图1 “极光计划”立方星和探测器结构示意图

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图2 《自然·天文》封面故事(题为“一次时间跳变”,描述了“极光计划”的探测经历