深入白矮星系統(tǒng)的最內(nèi)部區(qū)域

距離地球大約200光年的地方，一顆“死去恒星”的核心，正圍繞一顆更大的恒星，跳著詭異的宇宙“舞蹈”。

事實上，這顆已經(jīng)死亡的恒星是一顆白矮星，它正從一顆晚型主序星伴星那里吸積物質(zhì)。這個雙星系統(tǒng)名為EX Hydrae，是一種“中介偏振系統(tǒng)”，會釋放出包括X射線在內(nèi)的、結(jié)構(gòu)復雜的強烈輻射。

在一項新發(fā)表在《天體物理學雜志》的研究中，一個天文學家團隊利用一臺在太空中的X射線望遠鏡——成像X射線偏振探測器（IXPE）對EX Hydrae進行了觀測，探索了該系統(tǒng)最內(nèi)部的區(qū)域——這是此前大多數(shù)望遠鏡都無法企及的高能區(qū)域。

高能“噴泉”

“中介偏振”這一名稱的由來，源自于這類系統(tǒng)的中心白矮星的磁場強度：當磁場非常強時，來自伴星的物質(zhì)會被直接拉向白矮星的磁極；當磁場非常弱時，這些恒星物質(zhì)則會在白矮星周圍形成吸積盤，以旋轉(zhuǎn)方式環(huán)繞，最終直接沉積到白矮星表面。根據(jù)物理學家的預測，在中介偏振的情況下，物質(zhì)的下落方式會呈現(xiàn)一種復雜的“中間模式”——既會形成吸積盤，又會同時被拉向白矮星的磁極。

在恒星物質(zhì)朝著白矮星磁極墜落之前，磁場會先把盤中的入射物質(zhì)高高“抬起”，像一座高能噴泉一樣，然后這些物質(zhì)以“吸積帷幕”的形式向墜向磁極。理論認為，下落的物質(zhì)會與先前被抬升、仍在向磁極墜落的物質(zhì)相遇，形成局部的氣體堆積。這種堆積的物質(zhì)會形成一根相互碰撞的高溫吸積柱，并應當發(fā)射出高能的X射線。

最內(nèi)部的景象

在大多數(shù)望遠鏡的視野里，中介偏振系統(tǒng)不過就是一個小點。這讓研究人員不禁思考，究竟需要多大的偏振信號，才能幫看清這類系統(tǒng)的最內(nèi)部到底在發(fā)生什么。

IXPE是一個于2021年發(fā)射的、專門用于研究極端天體發(fā)射的偏振X射線的航天器。它繞地球運行，記錄著來自宇宙的偏振X射線。自發(fā)射以來，它主要觀測超新星、黑洞和中子星等天體。與黑洞和超新星相比，中介偏振系統(tǒng)的規(guī)模更小，但這不妨礙它們是強烈的X射線源。

因此，在新的研究中，研究團隊首次利用IXPE，來測量了EX Hydrae的X射線偏振。

2025年1月，IXPE對EX Hydrae進行了累計約60萬秒（約7天）的X射線測量。測量結(jié)果顯示，偏振度約為8%，遠高于一些理論模型先前預測的數(shù)值。尤為重要的是，他們確定了這些X射線來自那根“吸積柱”——那是白矮星從伴星吸積高溫物質(zhì)時所形成的柱狀結(jié)構(gòu)。他們估算，這個柱狀物的高度大約相當于白矮星自身半徑的一半，遠高于物理學家此前對這類系統(tǒng)的預測。

與此同時，研究團隊還測量了EX Hydrae的X射線偏振方向，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它與那根流向白矮星的吸積柱幾乎是垂直的。這表明：吸積柱發(fā)出的X射線在進入太空、最終被IXPE觀測到之前，會先在白矮星表面發(fā)生反射——這種效應早被物理學家懷疑存在，但直到現(xiàn)在才首次得到證實。

天文學研究的新窗口

這樣的研究結(jié)果表明，X射線偏振測量是一種研究極端恒星環(huán)境的有效方法，例如，它可被用來對白矮星的吸積幾何結(jié)構(gòu)進行細致的觀測。

研究團隊計劃，未來要把X射線偏振方法應用到其他吸積白矮星系統(tǒng)的研究中，以此來幫助科學家理解更大尺度的宇宙現(xiàn)象。

這為天文學研究打開了一扇新的窗口，使得天文學家有機會對其他類型的吸積白矮星進行類似的測量——而這些天體此前甚至都沒有被預言會產(chǎn)生X射線偏振信號。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/first-look-innermost-region-white-dwarf-system-1120

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae11b5

#圖片來源：

封面圖&首圖：Jose-Luis Olivares, MIT