港大天体物理学家与NASA合作 运用IXPE望远镜解开超新星残骸的理论



香港 - Media OutReach - 2023年11月14日 - 香港大学(港大)物理学系的吴志勇博士及杨怡蓉博士与国际天文团队合作,参与了一个由南京大学主导的研究,并运用美国国家航空暨太空总署(NASA)的IXPE望远镜(又名X射线偏振影像探测器、Imaging X-ray Polarimetry Explorer),首次捕捉到超新星残骸 SN 1006 的X射线偏振成像。 这项研究成果已经在《天文物理期刊》 (The Astrophysical Journal)上发表,其研究结果有助于科学家进一步了解爆发星体的高能粒子流与磁场之间的关联。

超新星殘骸 SN 1006 的合成影像。左上角的圓圈顯示了 IXPE 的觀測區域。IXPE 在 2-4 keV 的輻射以紫色表示,白色線條則標示出磁場方向。整體的紅色和白色部分分別為由錢德拉X射線觀測衛星 (Chandra X-ray Observatory) 所捕捉到的軟和硬的X射線輻射。背景的金色部分則來自史匹哲太空望遠鏡 (Spitzer Space Telescope) 的紅外線輻射。圖片提供:X-ray: Chandra: NASA/CXC/SAO, IXPE: NASA/MSFC/P. Zhou et al.; Infrared: Spitzer.
超新星殘骸 SN 1006 的合成影像。左上角的圓圈顯示了 IXPE 的觀測區域。IXPE 在 2-4 keV 的輻射以紫色表示,白色線條則標示出磁場方向。整體的紅色和白色部分分別為由錢德拉X射線觀測衛星 (Chandra X-ray Observatory) 所捕捉到的軟和硬的X射線輻射。背景的金色部分則來自史匹哲太空望遠鏡 (Spitzer Space Telescope) 的紅外線輻射。圖片提供:X-ray: Chandra: NASA/CXC/SAO, IXPE: NASA/MSFC/P. Zhou et al.; Infrared: Spitzer.

此研究的第一作者、南京大学的天体物理学家周平博士表示测量磁场极为困难,但 IXPE却提供了一个有效的探测办法:"虽然现在我们观测到 SN 1006 的磁场很紊乱,但也具有有序的方向性。 "

SN 1006是一颗超新星,位于距离地球约6,500光年的豺狼座,是一场剧烈爆发所产生的余晖。 这次爆发的起因可能是由两颗白矮星合并,或是一颗白矮星从伴星上吸收了过多的质量所引起。 这场爆发最早在公元1006年的春季被中国、日本、欧洲和阿拉伯世界的观察者所发现,其产生的亮光甚至可以肉眼观测得到,并至少持续了三年。 现代天文学家至今仍然认为这是有历史记录以来最为明亮的恒星爆发事件。

自有现代观测开展以来,科学家们注意到这个超新星残骸与一般圆形结构的超新星残骸明显不同。 它展现出独特的双边结构,在X射线和伽玛射线频段中,其明亮的边缘清晰可见。

"IXPE是一个独特的仪器。 它能够侦测到X射线的偏振(Polarisation),直接测量最接近冲击波的磁场结构,那里正正是高能粒子被加速的所在,这信息是其他望远镜无法提供的。 " 港大物理学系高能天体物理学家吴志勇博士解释。

在美国航天局马歇尔太空飞行中心工作、隶属美国太空研究协会 (Universities Space Research Association ,USRA) 的研究员Douglas Swartz 博士表示,IXPE 在X射线偏振测量方面具有高灵敏度和高空间解析能力, 非常适合用于观测SN 1006这个距离近且X射线亮度较高的超新星残骸,他说:" 这种整合能力对于确定宇宙射线加速的位置至关重要。 "

先前的研究对 SN1006 的X射线观测提供了首批证据,表明超新星残骸能够大幅让电子加速,并确认了爆发恒星周围急速扩张的星云为传播速度趋近于光速的高能宇宙射线的诞生点。 科学家们推测SN 1006的独特结构与其磁场的方向有关,并提出了超新星爆发波在东北和西南与磁场一致的方向移动,且更有效地让高能粒子加速。

论文合著作者之一、港大物理学系高能天体物理学家兼太空研究实验室成员杨怡蓉博士表示,是次IXPE 的新发现有助于验证和澄清这些理论,她说:"从偏振光谱分析中所获得的偏振性质与由其他方法和X射线观测卫星所获得的结果非常一致,证明了 IXPE 的可靠性与强大的性能。 这是我们首次能够以更高的能量对超新星残骸的磁场结构进行详细和准确的测量,这使我们能更深入地理解这些粒子加速的过程。 "

研究人员表示,研究结果显示了磁场与残骸中高能粒子流之间的关联。 根据IXPE的发现,SN 1006壳层中的磁场有些无序,但仍然具有一定的方向性。 当最初的爆发冲击波穿越周围的气体时,磁场会与冲击波的运动方向趋于一致。 陷落在超新星爆发原点周围磁场的带电粒子迅速随着爆发加速。 这些高速的高能粒子通过转移能量,使得磁场保持一定的强度与紊乱。

IXPE望远镜自2021年12月发射升空以来,已经观测了三个超新星残骸,包括仙后座 A、第谷和 SN 1006,这有助科学家更全面地了解围绕着这些现象的磁场的起源与过程。 这三个残骸的磁场方向同样地呈现从爆发中心向外扩展的趋势,但让科学家惊讶的是,SN 1006 的偏振程度高于另外两个超新星残骸。 随着研究人员持续探索IXPE的数据,科学界对于这些极端物体中粒子如何被加速的理解正在重新定义。

IXPE 是美国国家航空暨太空总署(NASA)与意大利太空总署(ASI)的合作项目,并与来自12个国家的合作者合作。 IXPE 由阿拉巴马州亨茨维尔的美国航天局马歇尔太空飞行中心所主导。 位于科罗拉多布鲁姆菲尔德的 Ball Aerospace 与科罗拉多大学博尔德分校的大气与太空物理实验室则合作负责宇宙飞船的操作。

本新闻稿为美国国家航空暨太空总署的新闻稿译本,如有抵触之处,应以英文版本为准。

研究論文可見於:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acf3e6

图片下载及说明请浏览以下链接:https://www.scifac.hku.hk/news





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来源:

香港大学

类别:

Science

阅读:

English

发布于:

14 Nov 2023

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