“死亡”白矮星“復活”：NASA X射線新視角揭示宇宙吞噬狂潮幾何結(jié)構(gòu)

美國宇航局（NASA）的成像X射線偏振探測器（IXPE）近日首次對一顆白矮星進行觀測，通過測量其發(fā)出X射線的偏振特性，成功解析了一套高能雙星系統(tǒng)中物質(zhì)在極端引力與強磁場作用下的運動與分布，為天文學家展示了此前任何望遠鏡都難以窺見的“宇宙進食幾何結(jié)構(gòu)”。 這項研究的主角是距離地球約200光年的EX Hydrae，它所在的長蛇座系統(tǒng)成為首個被IXPE深入解析的白矮星X射線偏振樣本。

IXPE在2024年對EX Hydrae進行了近一周的持續(xù)觀測，科研團隊由美國麻省理工學院（MIT）天體物理學家牽頭，多所大學和研究機構(gòu)參與，成果已發(fā)表于相關學術期刊。 白矮星是一類“耗盡生命燃料”的恒星殘骸，當恒星核心中的氫燃料耗盡且質(zhì)量不足以觸發(fā)核心坍縮超新星爆發(fā)時，其核心會在引力壓縮下變得極為致密，將接近一顆太陽的質(zhì)量壓縮到大致與地球相仿的體積內(nèi)。

EX Hydrae身處一套雙星系統(tǒng)：與其相伴的是一顆仍在正常燃燒的主序星，后者不斷向白矮星“泄漏”氣體，這些物質(zhì)在引力牽引下源源不斷落向白矮星表面。 物質(zhì)聚集與落到白矮星表面的過程被稱為吸積，具體“落點”與路徑則取決于白矮星磁場的強弱與結(jié)構(gòu)。 在EX Hydrae這一系統(tǒng)中，白矮星的磁場不足以將所有流入物質(zhì)直接導向其磁極，但又強到打亂完全對稱的吸積盤結(jié)構(gòu)，使其被歸類為所謂的“中間極”類型系統(tǒng)。

在這類系統(tǒng)中，來自伴星的氣體一方面在白矮星周圍形成高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤，另一方面又在磁場引導下被部分輸送至白矮星磁極區(qū)域。 隨著物質(zhì)持續(xù)向內(nèi)墜落并發(fā)生撞擊，其溫度被加熱到數(shù)千萬度之高，形成高聳的熾熱氣柱，以極高能量釋放出X射線輻射，使這一類目標成為IXPE理想的觀測對象。

通過偏振觀測數(shù)據(jù)，科研人員首次在不依賴大量模型假設的情況下，推算出了白矮星吸積柱的幾何高度，約為近2000英里（約3200公里），這一尺度遠遠小于任何望遠鏡可直接分辨的空間細節(jié)。 論文第一作者肖恩·岡德森表示，從IXPE捕獲的X射線偏振特征來看，部分高能X射線很可能在白矮星表面發(fā)生散射，這種散射痕跡幫助團隊重建出吸積柱的空間結(jié)構(gòu)，顯示出偏振探測在解析極端天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面前所未有的能力。

研究人員指出，此次對EX Hydrae的詳細測量，不僅揭示了白矮星吸積結(jié)構(gòu)的高度與形狀，還為理解宇宙中其他高能雙星系統(tǒng)（尤其是強磁場與強X射線源主導的系統(tǒng)）提供了重要參照。 隨著更多目標被納入IXPE觀測計劃，天文學界有望在磁場主導吸積過程、極端引力環(huán)境下物質(zhì)的輻射機理等關鍵問題上獲得更加清晰的答案。

IXPE任務由NASA與意大利航天局聯(lián)合實施，涉及12個國家的科學合作伙伴，由位于阿拉巴馬州亨茨維爾的NASA馬歇爾航天飛行中心負責任務整體領導。 航天器運行由位于弗吉尼亞州福爾斯徹奇的BAE系統(tǒng)公司負責，并與科羅拉多大學大氣與空間物理實驗室協(xié)同開展工作，持續(xù)為全球科研界提供關于黑洞、中子星、超新星殘骸等極端宇宙天體的獨特偏振觀測數(shù)據(jù)。

編譯自/ScitechDaily