在2020年直接測量出宇宙中最強的磁場約為10億特斯拉之后，最高能量回旋吸收線和直接測量宇宙中最強磁場的世界紀(jì)錄已經(jīng)被大幅度刷新。

(相關(guān)資料圖)

該研究結(jié)果于2022年6月28日發(fā)表在《天體物理雜志通訊》（ApJL）上，由中科院高能物理研究所粒子天體物理重點實驗室和德國圖賓根大學(xué)開普勒天體和粒子物理中心天文學(xué)和天體物理學(xué)研究所（IAAT）聯(lián)合獲得。來自中科院高能所的孔令達博士、張澍教授和張雙南教授是該論文的通訊作者。來自圖賓根大學(xué)的Victor Doroshenko博士和Andrea Santangelo教授對這一發(fā)現(xiàn)做出了重要貢獻。

一個中子星X射線雙星系統(tǒng)由一顆中子星和它的伴星組成。在中子星的強大引力作用下，伴星的氣體向中子星落下，形成一個吸積盤。吸積盤中的等離子體將沿著磁力線落到中子星的表面，在那里釋放出強大的X射線輻射。伴隨著中子星的旋轉(zhuǎn)，這種輻射會產(chǎn)生周期性的X射線脈沖信號，因此這些天體被稱為“X射線吸積脈沖星”。

許多觀測發(fā)現(xiàn)，這類天體的X射線輻射能譜中有“凹陷”結(jié)構(gòu)，即回旋吸收線，這是X射線光子被在磁場中回旋運動的電子共振散射吸收造成的。回旋吸收線的能量與中子星表面磁場的強度相對應(yīng)；因此，這一現(xiàn)象可以用來直接測量中子星表面附近的磁場強度。

超亮X射線脈沖星是一類天體，其X射線亮度遠遠超過了典型的X射線吸積脈沖星的亮度。它們之前已經(jīng)在遠離銀河系的幾個星系中被發(fā)現(xiàn)。天文學(xué)家們推測它們的脈沖星具有很高的磁場強度，盡管仍然缺乏直接的測量證據(jù)。

“慧眼”衛(wèi)星對銀河系第一顆超亮X射線脈沖星Swift J0243.6+6124的爆發(fā)進行了詳細的寬能段觀測，并明確地發(fā)現(xiàn)了其回旋吸收線。這揭示了高達146千電子伏的能量（大約10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差），它對應(yīng)于一個超過16億特斯拉的表面磁場。這不僅是迄今為止在宇宙中直接測量到的最強磁場，而且也是第一次在超亮X射線源中探測到電子回旋加速器吸收線，從而為中子星的表面磁場提供了直接測量。

人們認(rèn)為，中子星的表面磁場具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從離中子星很遠的偶極磁場到只影響靠近中子星區(qū)域的多極磁場。然而，早期對中子星磁場的間接估計大多只探測了偶極磁場。

這一次，“慧眼”衛(wèi)星基于回旋吸收線的直接磁場測量結(jié)果比用間接手段估計的磁場大了約一個數(shù)量級。這成為第一個具體的證據(jù)，證明中子星的磁場結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的對稱偶極子場更復(fù)雜，它還提供了中子星磁場的非對稱成分的首次測量。

“慧眼”衛(wèi)星是中國第一顆X射線天文衛(wèi)星。它包括科學(xué)有效載荷，包括高能望遠鏡、中能望遠鏡、低能望遠鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器。與其他X射線衛(wèi)星相比，“慧眼”衛(wèi)星具有覆蓋能段寬（1-250KeV）、在高能X射線能段的有效面積最大、時間分辨率高、探測死時間很小、觀測強源沒有光子堆積效應(yīng)等優(yōu)勢，從而為觀測黑洞、具有硬X射線快速轉(zhuǎn)變的中子星和能譜研究開辟了新的窗口。

2020年，“慧眼”衛(wèi)星團隊報告了從X射線雙星系統(tǒng)GRO J1008-57的中子星中探測到一條90千電子伏的回旋吸收線，對應(yīng)于10億特斯拉的表面磁場，這創(chuàng)造了當(dāng)時直接測量宇宙最強磁場的世界紀(jì)錄。后來，“慧眼”衛(wèi)星從另一顆中子星1A 0535+262中探測到了回旋吸收線的新紀(jì)錄--其最高能量約為100千電子伏?！盎垩邸毙l(wèi)星通過打破其自身發(fā)現(xiàn)回旋吸收線的記錄，證明了其探索高能X射線能譜方面的特殊能力。

“慧眼”衛(wèi)星是由中科院高能所的李惕碚教授和吳枚教授于1993年提出，并于2017年6月15日成功發(fā)射。它的發(fā)展得到了中國國家航天局和中國科學(xué)院的支持。中科院高能所負責(zé)這項任務(wù)的衛(wèi)星有效載荷、地面段和科學(xué)研究。中國空間技術(shù)研究院負責(zé)衛(wèi)星系統(tǒng)的工作。清華大學(xué)參與了有效載荷和地面部分的開發(fā)。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心和北京師范大學(xué)也參與了這項任務(wù)?！盎垩邸毙l(wèi)星上探測器的校準(zhǔn)工作得到了中國計量科學(xué)研究院、意大利費拉拉大學(xué)和馬克斯-普朗克地外物理研究所的支持。