X射線之眼

□ 文 何銳思(Richard de Grijs) / 翻譯 程思淼

X射線之眼

□ 文 何銳思(Richard de Grijs) / 翻譯 程思淼

圖中的藍(lán)色光點(diǎn)是高能脈沖星——在超新星爆發(fā)后剩下的高度磁化、高速自轉(zhuǎn)的恒星核。[來源：NASA/JPL-Caltech/SAO]

何銳思（Richard de Grijs）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

如果你有一雙能夠看到X射線、甚至伽瑪射線的眼睛，宇宙看起來會是什么樣？你一定會為看到宇宙中不斷發(fā)生的最最激烈的事件而驚嘆不已！但事實(shí)上，要想探測到波長這樣短的電磁波，我們必須要將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中去。雖然X射線與伽瑪射線天文學(xué)的研究歷史還很短，但也正因?yàn)榇?，在今后還會出現(xiàn)更加驚人的新發(fā)現(xiàn)！

上個月，美國宇航局（NASA）核分光望遠(yuǎn)鏡陣（Nuclear Spectroscopic Telescope Array，NuSTAR）項(xiàng)目的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆脈動的恒星殘骸，其輻射的能量大約相當(dāng)于太陽的1000萬倍！由于其輻射能量巨大，之前人們一直以為它是一個黑洞，但它實(shí)際上是一顆脈沖星——也就是大質(zhì)量恒星在超新星爆發(fā)之后，其中心殘留下來的極其致密、高速自轉(zhuǎn)的恒星殘骸。

“這個小而致密的恒星殘骸，能量著實(shí)不容小覷。我們從未見過這樣的天體，”NuSTAR首席研究員，美國加州理工學(xué)院的菲奧納·哈里森（Fiona Harrison）說?！拔覀円恢币詾檫@樣高能的天體只能是一個黑洞?！?/p>

由于磁軸與自轉(zhuǎn)軸并不一致，脈沖星會像一座“燈塔”一樣向空間中旋轉(zhuǎn)著發(fā)出強(qiáng)烈的電磁波束。[來源：NRAO]

藝術(shù)家繪制的脈沖星想象圖。[來源：NASA / Goddard Space Flight Center / Dana Berry]

脈沖星的典型質(zhì)量在1到2倍太陽質(zhì)量之間。如果這顆新發(fā)現(xiàn)的脈沖星質(zhì)量也在此范圍內(nèi)，那么它發(fā)出的光會比理論預(yù)言的、同等質(zhì)量的物質(zhì)所能發(fā)出的光度上限還要亮100倍?！拔覀兩踔翉奈匆娺^一顆亮度與之接近的脈沖星，”多姆·沃爾頓（Dom Walton）說。他是加州理工學(xué)院的一名博士后研究員?！罢f實(shí)話，這樣的天體是如何存在的，對此我們現(xiàn)在一點(diǎn)頭緒也沒有。做理論的人要為此絞盡腦汁一陣子了。”同時，這一不尋常的發(fā)現(xiàn)還將有助于科學(xué)家們更好地認(rèn)識“極高光度X射線源”（ULXs）。

在這幅由三架不同波段望遠(yuǎn)鏡拍攝得到的疊加圖像中，我們看到了可能來自一顆罕見脈沖星（紫紅色）的高能X射線流。這個被稱作M82的星系的主體形狀可以在可見光波段看出來（由美國國家光學(xué)天文臺位于亞利桑那基特峰的2．1米望遠(yuǎn)鏡拍攝）。星光為白色，塵埃帶則呈現(xiàn)棕色。錢德拉X射線天文臺拍攝的低能X射線圖像由藍(lán)色表示；而由NuSTAR拍攝的高能X射線圖像由粉色表示。[來源：NASA/JPL-Caltech/SAO/NOAO]

脈沖星的典型尺寸。[來源：NASA/Goddard Space Flight Center]

2014年初，英國倫敦的天文學(xué)家在銀河系附近的星暴星系M82中，發(fā)現(xiàn)了一顆百年一見的明亮超新星（雖然名字很枯燥：SN2014J）。機(jī)會難得，一時間，全世界乃至太空中的望遠(yuǎn)鏡都對準(zhǔn)了M82，仔細(xì)地觀察超新星爆發(fā)之后的余波。事實(shí)上，在M82中還有一些其他的極高光度X射線源，而當(dāng)法國圖盧茲大學(xué)的馬特羅·巴切提（Matteo Bachetti）在NuSTAR的數(shù)據(jù)中仔細(xì)檢索這些極高光度X射線源時，他發(fā)現(xiàn)其中有什么東西在脈動，或者說在“閃爍”。

藝術(shù)家繪制的軌道上的NuSTAR概念圖。進(jìn)入太空軌道之后，NuSTAR將展開一個10米長的“桅桿”，以使其光學(xué)單元（圖右）與接收器（焦平面，圖左）之間保持設(shè)計的距離。飛船的控制部和太陽能板、接收器在同一端。為了提高靈敏度，NuSTAR有兩個同樣的光學(xué)單元。圖片背景是錢德拉X射線天文臺拍攝的銀河中心圖像。[來源：NASA/JPL-Caltech]

“這著實(shí)讓人吃驚，”哈里森說，“幾十年來，所有人都認(rèn)為這些極高光度X射線源只能是黑洞。但是黑洞是不可能脈動的?！?/p>

不過，脈沖星卻可以。它好像一塊巨大的磁石，從兩個磁極輻射出電磁波。當(dāng)它們自轉(zhuǎn)的時候，就會變得像燈塔一樣：如果一個觀測者所處的角度合適，他就會看到強(qiáng)大的光束周期性地向他射來。當(dāng)初，大多數(shù)科學(xué)家會認(rèn)為極高光度X射線源就是黑洞，實(shí)在是因?yàn)樗鼈兲^明亮了：黑洞的質(zhì)量范圍可以從10倍直到數(shù)十億倍太陽質(zhì)量不等，其強(qiáng)大的引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過脈沖星；當(dāng)物質(zhì)落向黑洞時，巨大的引力勢能轉(zhuǎn)化成熱量，就會輻射出大量X射線。黑洞的質(zhì)量越大，它因此發(fā)出的光也就越明亮。

驚訝于M82中的閃光，NuSTAR團(tuán)隊一遍遍地復(fù)查了數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示閃光確實(shí)存在，脈動的周期是1.37秒。下一步就是要確認(rèn)，究竟是哪個極高光度X射線源在閃爍。沃爾頓和同事們分析了NuSTAR和它的“親戚”錢德拉X射線天文臺的數(shù)據(jù)，排除了25個目標(biāo)，最后鎖定了M82中一個極高光度X射線源——M82X-2，確認(rèn)了它就是那個閃爍的源。雖然確定了這顆脈沖星和它的位置，但是還有很多的問題有待解答。明亮天體的強(qiáng)大輻射會產(chǎn)生從內(nèi)向外的“輻射壓”，當(dāng)天體太過明亮，其質(zhì)量產(chǎn)生的引力不足以抵抗輻射壓時，理論上說，它就會解體。這就是天體物理學(xué)中的“愛丁頓極限”?？墒?，在M82中新發(fā)現(xiàn)的這顆脈沖星，它的亮度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了“愛丁頓極限”！

“這是目前超出這個極限最極端的例子，”沃爾頓說?！拔覀円呀?jīng)知道，有時實(shí)際情況可以比理論值超出一點(diǎn)，但這顆星已經(jīng)完全無視了‘極限’的存在?！睆倪@樣的新發(fā)現(xiàn)來看，NuSTAR望遠(yuǎn)鏡的確是一把好手。它不僅能“看”到高能X射線，而且還是以一種獨(dú)特的方式“看”。NuSTAR不像我們的照相機(jī)那樣，把來自目標(biāo)的光線隨著時間積累起來，拍成圖像，因?yàn)槿绻鄼C(jī)抖動的話，拍出的圖像就會模糊。相反，NuSTAR對來自目標(biāo)的X射線，一個光子、一個光子地進(jìn)行接收，把每個光子到達(dá)的時刻都記錄下來。這樣，不僅避免了模糊，科學(xué)家還可以進(jìn)行時序分析（timing analyses）——對于M82里的這個極高光度X射線源來說，就是分析它的亮度是如何脈動變化的。

哈里森提醒說，既然現(xiàn)在NuSTAR團(tuán)隊已經(jīng)認(rèn)定這個X射線源是一顆脈沖星，那么，很多其他的極高光度X射線源可能實(shí)際上也是脈沖星?！耙郧埃蠹叶加X得這些源毫無疑問只能是黑洞，”她說，“但是現(xiàn)在，我認(rèn)為有必要回過頭來好好考慮一下，是否確實(shí)如此。它們可能是一種非常獨(dú)特、奇異的天體，也可能事實(shí)上并不那么特別。對此，我們一無所知。我們需要更多的觀測數(shù)據(jù)，看看其他的極高光度X射線源是不是也存在脈動?！?/p>

NuSTAR最近剛剛完成了為期兩年的主要任務(wù)。“自NuSTAR發(fā)射升空到現(xiàn)在，已經(jīng)兩年過去了，這真是難以相信，”哈里森說，“我們達(dá)成了任務(wù)設(shè)定的全部科學(xué)目標(biāo)，并且做出了一些驚人的發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)在兩年前是不可想象的?！?/p>

2012年6月13日，在太平洋上空，NuSTAR從運(yùn)載它的飛機(jī)上脫離，在火箭的推進(jìn)下進(jìn)入太空。經(jīng)過為期48天的調(diào)試，它開始收集來自黑洞、超新星遺跡、星系團(tuán)和其他奇異天體的X射線數(shù)據(jù)。為了精確地探測高能X射線，望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計成一個長長的“桅桿”形狀——足有一輛公共汽車那么長。它是目前發(fā)射的最靈敏的高能X射線望遠(yuǎn)鏡。

在主要任務(wù)中，NuSTAR粗略地測定了一些黑洞的自轉(zhuǎn)速率，并為研究大質(zhì)量恒星在爆發(fā)之前的不穩(wěn)定狀態(tài)提供了新的視角，這是人們期待已久的。除此之外，NuSTAR的觀測結(jié)果還包括：發(fā)現(xiàn)銀心附近存在高度磁化的中子星、探測隱藏在塵埃中的明亮而活躍的黑洞以及偶然發(fā)現(xiàn)了一些超大質(zhì)量黑洞。

“上帝之手”看上去就像在醫(yī)院里用X光拍攝的骨片，但它實(shí)際上是超新星爆發(fā)噴射出的物質(zhì)云。NuSTAR望遠(yuǎn)鏡首次獲得了它在高能X射線波段的圖像，圖中用藍(lán)色表示。錢德拉X射線天文臺獲得的低能X射線圖像用綠色和紅色表示。[來源：NASA/JPL-Caltech/McGill]

“NuSTAR觀測高能X射線的獨(dú)特視角，為我們展現(xiàn)了我們熟知的天體和天區(qū)不為人知的一面?！惫锷f。下面一張圖像顯示了一顆恒星死亡后的遺跡。超新星爆發(fā)的巨大能量，把這塊星云塑造成一只手的形狀，因此又稱為“上帝之手”。它距離我們17000光年遠(yuǎn)，其中央星是一顆脈沖星：PSR B1509-58，或簡稱B1509。這顆脈沖星的直徑只有大約19千米，但是仍然威力巨大：它以每秒7圈的速度自轉(zhuǎn)，不斷向周圍的超新星遺跡中噴射高能（帶電）粒子束。這些高能粒子在超新星遺跡的磁場作用下，沿著螺旋形的軌跡高速運(yùn)動，輻射出X射線。因此，我們在X射線波段拍攝的圖像中可以看到有如張開的手掌的形狀。

關(guān)于這個“脈沖星風(fēng)星云”最大的謎團(tuán)是，脈沖星噴射的粒子束是否與星云中的物質(zhì)相互作用，以某種方式參與了這個“手”形的塑造？還是說星云在誕生之初，本來就是手的形狀？“我們還不知道這個‘手’形是不是光學(xué)上的錯覺，”加拿大蒙特利爾麥克吉爾大學(xué)的安鴻鈞(Hongjun An)說。“在NuSTAR的視野里，‘手掌’看上去更像是一個拳頭，這為我們提供了一些線索?！辈贿^他沒有透露更多的細(xì)節(jié)。

事實(shí)上，在我們的銀河系中遍布著仍然在嗞嗞作響的超新星遺跡。那些最大質(zhì)量的恒星以超新星爆發(fā)結(jié)束其生命后，并不一定立刻在夜空中暗淡下去，而是有時會繼續(xù)輻射出強(qiáng)烈的高能伽瑪射線。這些恒星殘骸的巨大能量源于何處？NuSTAR將幫助我們解開這個謎團(tuán)。最近，這架望遠(yuǎn)鏡的高能X射線之眼指向了那個發(fā)出強(qiáng)烈伽瑪射線的天區(qū)，并且確認(rèn)：那里有一顆高速自轉(zhuǎn)的脈沖星。

發(fā)現(xiàn)這些強(qiáng)伽瑪射線的“幕后黑手”原來是脈沖星，已經(jīng)不是第一次了。但由于我們并不知道伽瑪源的距離，只憑在天上的位置接近就斷言兩者有物理上的聯(lián)系，還很不嚴(yán)謹(jǐn)。而NuSTAR獨(dú)特的時序觀測帶來的證據(jù)則有說服力得多。NuSTAR與錢德拉X射線天文臺、費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡以及位于納米比亞的高能立體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（High Energy Stereoscopic System，HESS）一起，各自發(fā)揮其長處，推進(jìn)了我們對這些死去但卻并不“安息”的恒星殘骸的認(rèn)識?！皝碜赃@些恒星殘骸的能量，足以造成像我們觀測到的這么亮的伽瑪射線，”美國紐約哥倫比亞大學(xué)的埃里克·戈特爾夫（Eric Gotthelf）說。進(jìn)一步說，如果脈沖星可以是這些伽瑪射線的來源，那么，其他一些高能輻射源，比如超新星遺跡的外層云氣殼、X射線雙星，或者恒星形成區(qū)也都有可能發(fā)出伽瑪射線。

近年來，HESS項(xiàng)目已經(jīng)在銀河系中確認(rèn)了超過80個強(qiáng)伽瑪射線源。其中絕大多數(shù)都與之前的超新星爆發(fā)有關(guān)，但也有一些其“真身”究竟是何種天體，目前尚不清楚。今年9月份剛剛宣布確認(rèn)的一個源HESS J1640-465，是迄今發(fā)現(xiàn)的最明亮的伽瑪射線源之一。目前已確認(rèn)了它與一個超新星遺跡的關(guān)系，但產(chǎn)生如此巨大能量的機(jī)制目前尚不清楚。不過，來自錢德拉X射線天文臺和歐洲空間局X射線多鏡望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)顯示，這些能量可能來自一顆脈沖星，只不過由于云氣的遮擋，我們難以直接觀測到它。

由4架12米望遠(yuǎn)鏡環(huán)繞一架新建的28米CT5望遠(yuǎn)鏡組成的HESS望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。

NuSTAR填補(bǔ)了錢德拉X射線天文臺和X射線多鏡望遠(yuǎn)鏡在高能X射線波段觀測能力的不足，而高能X射線是可以穿透云氣傳播的。另外，NuSTAR還能夠以很高的精度測量X射線波段的脈動。這樣，NuSTAR就可以觀測到，來自HESS J1640-465的高能X射線在有規(guī)律地脈動。這一觀測結(jié)果使人們發(fā)現(xiàn)了PSR J1640-4631。這是一顆每秒自轉(zhuǎn)5圈的脈沖星，也是觀測到的高能X射線和伽瑪射線的最終來源。

那么，脈沖星是如何產(chǎn)生這些高能射線的呢？原來，脈沖星強(qiáng)大的磁場可以激起同樣強(qiáng)大的電場，使其表面附近的帶電粒子加速到接近光速。而這些高速運(yùn)動的粒子與磁場作用，就會發(fā)出強(qiáng)烈的高能伽瑪射線或X射線束?！鞍l(fā)現(xiàn)了驅(qū)動HESS J1640-465的脈沖星‘引擎’，天文學(xué)家就能夠檢驗(yàn)他們關(guān)于強(qiáng)伽瑪射線輻射機(jī)制的理論模型是否正確。”戈特爾夫說。

“也許有些其他強(qiáng)伽瑪射線源中的脈沖星我們沒法探測到?！丙溈思獱柎髮W(xué)的維多利亞·卡斯比（Victoria Kaspi）說。但是，借助新的觀測數(shù)據(jù)，天文學(xué)家已經(jīng)得到了這顆脈沖星自轉(zhuǎn)變慢的速率（大約30毫秒/年），以及這一“變慢速率”隨時間的變化。這些信息都將幫助研究者理解，這些高速自轉(zhuǎn)的磁化星體輻射出如此強(qiáng)烈高能射線的機(jī)制。

伽瑪射線天文學(xué)正在迅速進(jìn)入天體物理研究的主流。去年，在HESS已有的4架12米口徑望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)上，又新建了一架巨大的28米口徑望遠(yuǎn)鏡。“這是五年來艱苦工作的結(jié)晶?！卑拇罄麃啺⒌氯R德大學(xué)的加文·洛威爾（Gavin Rowell）說，“我們一直在為建造世界上最大的伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡、為能探測到更弱的伽瑪射線信號而努力。這可不是容易的目標(biāo)：為了對瞬變目標(biāo)做出及時的反應(yīng)，必須能讓500噸重的鋼和玻璃在30秒之內(nèi)準(zhǔn)確地指向任何天區(qū)?！?/p>

最近，一個國際研究團(tuán)隊宣布，他們用新望遠(yuǎn)鏡探測到了船帆座脈沖星發(fā)出的脈動伽瑪輻射。這些伽瑪射線是其輻射的可見光的能量的100億倍。當(dāng)然，這個脈沖信號還有待從周圍更強(qiáng)的信號中進(jìn)一步分離。

船帆座脈沖星是一個極為致密、高速自轉(zhuǎn)的天體。它的直徑不超過20千米，距地球約1000光年。它像燈塔一樣發(fā)出脈動的伽瑪射線，周期僅為89毫秒。上面提到的那架新HESS望遠(yuǎn)鏡的主要目標(biāo)之一就是探測到盡量微弱的信號，以便能夠研究脈沖星的輻射。

“這一結(jié)果為HESS打開了進(jìn)一步探索伽瑪射線源頭的大門?！甭逋栒f。現(xiàn)在HESS研究的電磁波段，對我們理解脈沖星如何對粒子進(jìn)行加速，起著至關(guān)重要的作用。這個波段的伽瑪射線對它在脈沖星表面產(chǎn)生的部位非常敏感。因此，對這些伽瑪射線進(jìn)行仔細(xì)的探測，就可以幫助我們確定它是如何以及從哪里發(fā)出的?！袄斫饬诉@一過程，將可以幫助我們回答一些關(guān)于宇宙演化的大問題?！?/p>