这张插图显示了NASA在太空中的NuSTAR X射线望远镜。两个笨重的部件由一个33英尺(10米)的结构隔开,该结构称为可展开桅杆或吊杆。光在桅杆的一端收集,并沿桅杆聚焦,然后撞击另一端的探测器。
影像来源:NASA/JPL-Caltech

近10年来,NASA的NuSTAR(核子光谱望远镜阵列)X射线太空天文台一直在研究宇宙中一些能量最高的物体,比如碰撞的死恒星和吞噬热气体的巨大黑洞。在这段时间里,科学家们不得不处理从天文台侧面泄漏的杂散光,这可能会干扰观测,就像外部噪音会淹没电话一样。

但现在,团队成员已经知道如何利用散乱的X射线来了解NuSTAR外围视觉中的物体,同时也进行正常的目标观测。这一进展有可能使核星提供的洞见成倍增加。《天体物理学杂志》上的一篇新科学论文描述了首次使用NuSTAR的杂散光观测来了解一个宇宙物体——在这种情况下,是一颗中子星。

但现在团队成员已经想出了如何使用这种杂散的X射线光来了解NuSTAR周边视觉中的物体,同时还能进行正常的有针对性的观测。这一发展有可能使NuSTAR提供的洞察力成倍增加。《天体物理学杂志》上的一篇新科学论文描述了NuSTAR的杂散光观测首次用于了解宇宙物体——在本例中是中子星。

中子星是一颗恒星坍塌后遗留下来的物质,是宇宙中密度最大的天体之一,仅次于黑洞。它们强大的磁场会捕获气体粒子并将它们汇集到中子星的表面。随着粒子被加速和激发,它们会释放出NuSTAR可以探测到的高能X射线。

这项新研究描述了一个名为SMC X-1的系统,该系统由围绕银河系(地球的母星系)运行的两个小星系之一中的一颗活恒星运行的中子星组成。用望远镜观察时,SMC X-1的X射线输出的亮度似乎变化很大,但NuSTAR和其他望远镜数十年的直接观测揭示了这种波动的模式。科学家们已经查明了SMC X-1在X射线望远镜研究时亮度变化的几个原因。例如,中子星每次在绕行轨道上下降到活恒星后面时,X 射线的亮度就会变暗。根据该论文,杂散光数据足够敏感,能够捕捉到一些记录良好的变化。

“我认为这篇论文表明这种杂散光方法是可靠的,因为我们在SMC X-1中观测到了中子星的亮度波动,我们已经通过直接观测证实了这一点,”加利福尼亚州帕萨迪纳加州理工学院的天体物理学家、这项新研究的主要作者麦金利·布伦巴克说。“展望未来,如果我们能够在不知道物体亮度是否有规律变化的情况下,使用杂散光数据来观察物体,并可能使用这种方法来检测变化,那就太棒了。”

形式与功能

新方法之所以可行,是因为NuSTAR的形状类似于哑铃或狗骨:它在一个狭窄的、33英尺长(10米长)的结构(称为可展开式桅杆或吊杆)的两端有两个笨重的部件。通常,研究人员将其中一个笨重的末端(包含光学器件或收集 X 射线的硬件)指向他们想要研究的对象。光线沿着桅杆传播到位于航天器另一端的探测器。两者之间的距离是聚焦光线所必需的。

但是杂散光也会通过桅杆的侧面进入探测器,绕过光学元件。它与来自望远镜直接观察到的任何物体的光一起出现在NuSTAR的视野中,而且通常很容易被肉眼识别:它形成了一圈从图像两侧发出的微弱光。 (毫不奇怪,杂散光对许多其他太空和地面望远镜来说都是个问题。)

在过去的几年里,NuSTAR团队的一组成员将杂散光与NuSTAR的各种观测结果分离开来。在确定了每次观测外围的明亮、已知的X射线源后,他们使用计算机模型,根据附近的明亮物体,预测应该出现多少杂散光。他们还查看了NuSTAR几乎所有的观测结果,以确认杂散光的迹象。该团队创建了一个包含大约80个物体的目录,NuSTAR为这些物体收集了杂散光观测数据,并将该集合命名为“流浪猫(StrayCats)”。

“想象一下,坐在一个安静的电影院里,看一部戏剧,听到隔壁上演的动作片中的爆炸声。”加州理工学院高级研究科学家、NuSTAR团队成员布莱恩·格里芬斯泰特说。“在过去,这就是杂散光的样子——分散了我们的注意力。现在我们有了工具,可以将额外的噪音转化为有用的数据,开辟了使用NuSTAR研究宇宙的全新方式。”

当然,杂散光数据不能取代NuSTAR的直接观测。除了杂散光无法聚焦外,NuSTAR可以直接观察到的许多物体都太微弱,无法出现在杂散光目录中。但是格里芬斯泰特说,加州理工学院的多名学生仔细研究了这些数据,发现了周边物体快速变亮的例子,这可能是任何数量的戏剧性事件,比如中子星表面的热核爆炸。观察中子星亮度变化的频率和强度可以帮助科学家破译这些天体发生了什么。

“如果你试图寻找X射线源长期行为或亮度的模式,杂散光观测可能是一种更频繁检查并建立基线的好方法。”加州理工学院NASA哈勃奖学金项目爱因斯坦研究员、流浪猫团队成员蕾妮·卢德拉姆说。“它们还可以让我们在我们没有预料到的情况下,或者当我们通常无法将NuSTAR直接指向这些物体时,捕捉到这些物体的奇怪行为。杂散光观测不能取代直接观测,但更多的数据总是好的。”

关于任务的更多信息

NuSTAR于2012年6月13日发射。这是一项由加州理工学院领导、由喷气推进实验室为华盛顿NASA科学任务理事会管理的小型探索任务,它是与丹麦技术大学(DTU)和意大利航天局(ASI)合作开发的。望远镜光学系统由哥伦比亚大学、美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心和 DTU建造。 该航天器由位于弗吉尼亚州杜勒斯的轨道科学公司建造。NuSTAR的任务运营中心位于加州大学伯克利分校,官方数据档案位于NASA的高能天体物理学科学档案研究中心。ASI提供任务的地面站和镜像数据存档。加州理工学院为NASA管理JPL。

有关NuSTAR的更多信息,请访问:

http://www.nasa.gov/nustar

www.nustar.caltech.edu

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-nustar-makes-illuminating-discoveries-with-nuisance-light

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