【新要闻】从探空火箭到卫星：绘制蟹状星云磁场的50年历程

1971年2月22日，一枚探空火箭从弗吉尼亚州的沃勒普斯岛升空，带着专门的传感器瞄准蟹状星云，一个6500光年外的明亮宇宙物体。在那些日子里，在恢复实验的物理磁带之前，科学家们首先在条形图记录器上接收科学数据，这是一种在纸上打印信号的设备。天文学家Martin Weisskopf和他的同事在发射日开始分析，用尺子和铅笔测量信号之间的距离。

韦斯科普夫说："使科学如此美丽和令人兴奋的是，在那片刻间，你看到的是从未有人看到过的东西，"韦斯科普夫现在是美国航空航天局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心的名誉天文学家。

【资料图】

几十年后，魏斯科普夫提议开发一颗地球轨道卫星，配备强大的仪器，可以收集关于蟹状星云和其他神秘宇宙物体的更详细的同类测量。这颗卫星成为美国宇航局的成像X射线测偏探测器（IXPE），它于2021年12月9日发射。

艺术家描绘的地球轨道上的IXPE。资料来源：美国国家航空航天局

现在，在探空火箭实验50多年后，科学家们利用IXPE创建了蟹状星云磁场的详细、微妙的地图，比以往任何时候都更多地揭示了其内部运作。发表在《自然-天文学》杂志上的这些新结果，有助于解决长期以来对蟹状星云的研究之谜，并为今后的研究提出了新问题。

IXPE数据显示，蟹状星云的磁场与维拉脉冲星风状星云的磁场相似，后者也是甜甜圈形状。但是在蟹状星云，科学家们惊讶地发现，磁场湍流的区域比预期的更加错落有致和不对称。

这项研究的主要作者、意大利佛罗伦萨INAF Arcetri天文台的天文学家Niccolò Bucciantini说："这清楚地表明，即使是过去利用先进的数值技术开发的更复杂的模型，也不能完全抓住这个天体的复杂性。"

蟹状脉冲星是一个著名的天文天体，距离地球约6500光年，它起源于一颗大质量恒星的爆炸。蟹状星周围的星云包含一个甜甜圈形状的磁场，美国宇航局的成像X射线测偏探测器（IXPE）观察到了这个磁场。橙色的线条强调了IXPE确定的磁场形状。它被叠加在由钱德拉X射线天文台（蓝色和白色）、哈勃太空望远镜（紫色）和斯皮策太空望远镜（粉色）的数据组成的综合图像上。

蟹状星云是天文学家们最喜欢的研究对象，它是由1054年记录的一颗超新星产生的。爆炸留下了一个被称为蟹状脉冲星的密集物体，直径约为阿拉巴马州的亨茨维尔或曼哈顿的长度，但质量却相当于两个太阳。来自旋转的脉冲星的气体、冲击波、磁场和高能光和粒子的混乱局面被统称为"脉冲星风星云"。这些极端条件构成了一个尚未被彻底理解的怪异环境。

Weisskopf及其同事希望通过测量来自蟹状星云的X射线的偏振来以一种新的方式了解这种极端环境，因为蟹状星云在X射线中闪耀着光芒。X射线偏振为科学家们提供了线索，让他们了解宇宙物体不同部分的磁场指向，以及磁场的有序程度。磁场的几何形状和湍流决定了粒子如何被弹射到光速。

1971年，美国宇航局的马丁-魏斯科普夫和哥伦比亚大学的同事与Aerobee-350探空火箭合影，他们用该火箭首次探测到来自天体--蟹状星云--的X射线偏振。从左到右是罗伯特-诺维克，加布里埃尔-爱泼斯坦，魏斯科普夫，理查德-沃尔夫和理查德-林克。资料来源：美国国家航空航天局

在1971年的探空火箭实验在地球大气层上空停留的5分钟里，它产生了世界上第一个X射线偏振测量值。

科学家们在1975年用一颗名为OSO-8的卫星进行了跟进，它也测量了蟹状星云的X射线偏振。火箭和卫星产生了大致相同的结果： 蟹状星云的平均偏振率约为20%。

作为1999年发射的美国宇航局钱德拉X射线天文台的项目科学家，魏斯科普夫以新的方式继续探索蟹状星云。"通过钱德拉，我们拍摄了星云和脉冲星的美丽图像，我们可以看到喷流和各种结构，"他说。钱德拉的X射线成像显示了在星云中移动的缕状结构，并帮助科学家进一步了解脉冲星的能量和X射线发射之间的关系。

几乎所有最近的大型望远镜都指向蟹状星云，以更好地了解这个神秘的超新星遗留物。但是只有IXPE能够从偏振的角度研究来自巨蟹的X射线，偏振是对电磁场组织的一种测量。

"巨蟹是天空中被研究最多的高能天体之一。因此，我们可以通过IXPE的"偏振镜"来了解这个系统的一些新情况，这是非常令人兴奋的，"隶属于马里兰大学巴尔的摩分校的美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究科学家Michela Negro说，他也是这项研究的共同作者。

在整个星云中，IXPE发现的平均偏振与Weisskopf及其同事在1970年代所做的大致相同。但是通过更复杂的仪器，IXPE能够细化偏振的角度，并检查整个天体中偏振的差异。科学家们在星云的外围区域看到了很多偏振的区域，离脉冲星有几光年的距离，那里的偏振比较低。

这使得科学家们不仅能够研究来自蟹状星云的X射线，而且能够研究来自脉冲星本身或其周围磁场球体的X射线。研究结果表明，这些X射线起源于外部磁场区域，被称为"风"区域，尽管确切的位置和方式仍然未知。在磁场内，由脉冲星的"风"产生的震荡正在推动接近光速的粒子。

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