一项全球科学合作利用NASA国际空间站上的中子星内部成分探测器(NICER)望远镜的数据,发现了蟹状星云脉冲星伴随射电爆发的X射线增强。这一发现表明,这些被称为巨型射电脉冲的爆发,释放出的能量远比之前猜测的要多。

NASA的中子星内部成分探测器(NICER)观测显示,蟹状星脉冲星的随机巨型射电脉冲产生了X射线增强。观看视频了解更多信息。
视频来源:NASA戈达德太空飞行中心

脉冲星是一种快速旋转的中子星,是一颗爆炸后形成超新星恒星的破碎的、城市小的核心。一颗年轻的孤立中子星每秒可以旋转数十次,其旋转的磁场可以增强无线电波、可见光、X射线和伽马射线。如果这些光束扫过地球天文学家就会观察到类似时钟的脉冲发射,并将其归类为脉冲星。

“在已编入目录的2800多颗脉冲星中,蟹状星云脉冲星是仅有的几颗发出巨型射电脉冲的天体之一,这些脉冲零星出现,其亮度可能是常规脉冲的数百倍到数千倍。”位于日本埼玉县和光市的RIKEN先锋研究集群的首席科学家榎户辉扬(Teruaki Enoto)说。”经过数十年的观察,只有蟹状星云脉冲星被证明可以通过频谱其他部分的发射来增强其巨大的射电电脉冲。”

蟹状星云是超新星爆炸产生的六光年宽的碎片云,其中有一颗每秒旋转30次的中子星,在X射线和射电波段是天空中最亮的脉冲星之一。这张哈勃太空望远镜图像的合成图揭示了爆炸中排出的不同气体:蓝色显示中性的,绿色显示单电离的硫,红色表示双电离的氧。
影像来源:NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

这项新的研究将出现在4月9日的《Science》杂志上,现在可以在线获取,该研究分析了有史以来从脉冲星收集的最大数量的同步X射线和无线电数据。它将与这种增强现象相关的观测能量范围扩大了数千倍。

蟹状星云及其脉冲星位于约6500光年外的金牛座,形成于一颗超新星,其光线于1054年7月到达地球。这颗中子星每秒旋转30次,在X射线和射电波长下,它是天空中最亮的脉冲星之一。

在2017年8月至2019年8月期间,榎户辉扬和他的同事们利用NICER在X射线中反复观测蟹状星云脉冲星,X射线的能量高达1万电子伏特,即可见光的数千倍。在NICER观测的同时,该团队还使用日本的两台地基射电望远镜中的至少一台–鹿岛宇宙技术中心的34米天线和日本宇宙航空研究开发机构宇田深空中心的64米天线对该天体进行了研究,这两台天线的工作频率均为2千兆赫。

在2017年至2019年期间,NASA的中子星内部成分探测器(NICER)和日本的射电望远镜同时研究了蟹状星云脉冲星。在这张仅代表NICER观测13分钟的可视化图片中,数以百万计的X射线被绘制成相对于脉冲星的旋转相位,其中心是最强的射电发射。为了清晰起见,图中显示的是两次完整的旋转。当脉冲星光束扫过我们的视线时,它们会在每次旋转中产生两个峰值,较亮的那个峰值与更多的巨型射电脉冲有关。NICER的数据首次显示,与这些事件相关的X射线发射略有增加。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Enoto et al. 2021

联合数据集有效地为研究人员提供了近一天半的X射线和无线电覆盖时间。总的来说,他们捕捉到了370万次脉冲星自转的活动,捕获了大约26000个巨型射电脉冲。

巨型射电脉冲爆发得很快,在百万分之一秒内达到峰值,并且不可预测地发生。然而,当它们发生时,却与规律的时钟脉动一致。

NICER能在在100纳秒之内记录下其探测到的每一个X射线的到达时间,但望远镜的计时精度并不是它在这项研究中的唯一优势。

“NICER观测明亮X射线源的能力几乎是脉冲星及其星云亮度总和的四倍,”NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的项目科学负责人扎文·阿尔祖马尼亚(Zaven Arzoumanian)说。”因此,这些观测结果基本上没有受到堆积的影响(堆积指的是探测器将两束或两束以上的X射线视为一个单一事件),而其他一些问题则使早期的分析更加复杂。”

榎户辉扬的团队综合了所有与巨型射电脉冲相吻合的X射线数据,现了与之同步发生的X射线增强的幅度约为4%。这与2003年发现的可见光增加3%的现象非常相似。与蟹状星云脉冲星的常规脉冲和巨型脉冲之间的亮度差异相比,这些变化非常小,为理论模型的解释提供了挑战。

这些X射线的增强表明,巨型射电脉冲是产生横跨电磁波谱(从无线电到X射线)的发射的基本过程的一种表现。而由于X射线的冲击力是无线电波的数百万倍,即使是适度的增加也代表着巨大的能量贡献。研究人员得出的结论是,与巨型射电脉冲相关的总发射能量比之前仅从无线电和光学数据中估计的高出几十到几百倍。

“我们仍然不知道脉冲星是如何或在哪里产生它们复杂而广泛的辐射,令人欣慰的是,我们为这些迷人天体的多波长谜题做出了贡献。”榎户辉扬说。

NICER是美国宇航局探索计划中的机遇号天体物理学任务,利用太阳物理学和天体物理学科学领域的创新、精简和高效的管理方法,为来自太空的世界级科学研究提供频繁的飞行机会。NASA的空间技术任务理事会支持该任务的SEXTANT部分,展示基于脉冲星的航天器导航。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-nicer-finds-x-ray-boosts-in-the-crab-pulsar-s-radio-bursts

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