NASA的IXPE观测到前所未有的历史性星云
1971年2月22日，一枚探空火箭从弗吉尼亚州的沃洛普斯岛升空，它携带着专门的传感器，瞄准了6,500光年外的明亮宇宙物体蟹状星云。在那些日子里，在从实验中恢复物理磁带之前，科学家们首先在条形图记录仪上接收到科学数据，条形图记录器是一种将信号打印在纸上的设备。天文学家马丁·韦斯科普夫和他的同事们在发射当天开始分析，用尺子和铅笔测量信号之间的距离。
韦斯科普夫现在是阿拉巴马州亨茨维尔NASA马歇尔太空飞行中心的退休天文学家，他说：“科学之所以如此美丽和令人兴奋，是因为在那几个瞬间，你看到了一些从未有人见过的东西。”
这张蟹状星云的图像结合了NASA X射线成像偏振探测器（IXPE）的数据（以品红色显示）和NASA钱德拉X射线天文台的数据（以深紫色显示）。
影像来源：X射线：(IXPE: NASA), (Chandra: NASA/CXC/SAO); 影像处理：NASA/CXC/SAO/K. Arcand & L. Frattare
几十年后，韦斯科普夫提议开发一颗绕地球运行的卫星，该卫星配备了强大的仪器，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数据。该卫星成为NASA X射线成像偏振探测器（IXPE），于2021年12月9日发射。
现在，在探空火箭实验50多年后，科学家们已经使用IXPE创建了一个详细、细致的蟹状星云磁场地图，揭示了比以往更多的内部工作原理。新的结果发表在《自然天文学》杂志上（已有预印本），这有助于解决关于被充分研究的蟹状星云的长期谜团，并为未来的研究提出新的问题。
IXPE的数据显示，蟹状星云的磁场与船帆座脉冲星风星云的磁场相似，后者也是环形。但在蟹状星云上，科学家们惊讶地发现，磁场湍流的区域比预期的更不均匀和不对称。
蟹状脉冲星是一个著名的天文天体，距离地球约6,500光年，起源于一颗大质量恒星的爆炸。蟹状星云周围有一个环形磁场，这是NASA X射线成像偏振探测器（IXPE）观测到的。橙色线突出显示了IXPE确定的磁场形状。它被叠加在由钱德拉X射线天文台（以蓝色和白色显示）、哈勃太空望远镜（以紫色显示）和斯皮策太空望远镜（以粉红色显示）的数据制成的合成图像上。
影像来源：磁场线： NASA/Bucciantini et al; X射线：NASA/CXC/SAO; 可见光：NASA/STScI; 红外线：NASA-JPL-Caltech
“这清楚地表明，即使是过去使用先进的数值技术开发的更复杂的模型，也不能完全拍摄到这个物体的复杂性。”该研究的主要作者、意大利佛罗伦萨INAF阿切特里天文台的天文学家尼科洛·布坎蒂尼说。
作为天文学家最喜欢研究的对象，蟹状星云是1054年记录的一颗超新星的产物。这次爆炸留下了一个被称为蟹状星云脉冲星的致密天体，直径约为阿拉巴马州亨茨维尔市，长度约为曼哈顿，但其质量约为两个太阳。来自旋转脉冲星的气体、激波、磁场、高能光和粒子的混乱状态被统称为“脉冲星风星云”。这些极端条件造就了一个尚未被彻底了解的奇异环境。
韦斯科普夫和他的同事们希望通过测量来自蟹状星云的X射线偏振来了解这种极端环境，蟹状星云在X射线中发出明亮的光。X射线偏振为科学家提供了宇宙物体不同部分磁场指向的方向，以及磁场有序程度的线索。磁场的几何形状和湍流决定了粒子如何被弹射到光速。
1971年的探空火箭实验在地球大气层上空进行了五分钟，在这5分钟内，它进行了世界上第一次X射线偏振测量。
1975年，科学家们发射了一颗名为OSO-8的卫星，这颗卫星也测量了蟹状星云的X射线偏振。火箭和卫星得出了大致相同的结果：蟹状星云的平均偏振度约为20%。
1971年，NASA的马丁·韦斯科普夫和哥伦比亚大学的同事们首次用Aerobee-350探空火箭探测蟹状星云天体的X射线偏振。从左至右依次为罗伯特·诺维克、加布里埃尔·爱泼斯坦、韦斯科普夫、理查德·沃尔夫和理查德·林克。
影像来源：NASA
作为1999年发射的NASA钱德拉X射线天文台的项目科学家，韦斯科普夫继续以新的方式探索蟹状星云。利用钱德拉，“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射线成像揭示了星云中移动的缕状结构，帮助科学家进一步了解脉冲星能量和X射线发射之间的关系。
为了更好地了解这个神秘的超新星遗迹，最近几乎所有的大型望远镜都指向了蟹状星云。但是只有IXPE可以从偏振的角度研究螃蟹发出的X射线，这是一种衡量电磁场组织的方法。
“蟹状星云是天空中研究最多的高能天体物理天体之一。因此，通过观察IXPE的‘偏振透镜’，我们可以了解到这个系统的一些新东西，这是非常令人兴奋的。”NASA戈达德太空飞行中心的研究科学家米凯拉·内格罗说，他隶属于马里兰大学巴尔的摩分校，也是这项研究的合著者。
在整个星云中，IXPE发现了与韦斯科普夫及其同事在20世纪70年代所发现的相同的平均偏振。但使用更复杂的仪器，IXPE能够细化偏振角度，并检查整个物体的偏振差异。科学家们在星云的外部区域看到了很多极化的区域，距离脉冲星几光年远，那里的偏振度较低。
这使科学家不仅能够研究来自蟹状星云的X射线，还能够研究来自脉冲星本身或其周围磁场的X射线。研究结果表明，这些X射线起源于外磁场区域，即“风”区域，尽管确切的位置和方式尚不清楚。在磁场内，脉冲星的“风”产生的冲击推动着粒子以接近光速的速度前进。
“我为与IXPE有关的每一个人感到骄傲。”韦斯科普夫说，他是该任务的第一位首席研究员。“每个人都非常努力，而且正如广告宣传的那样。”回想起1971年为新结果奠定基础的实验，韦斯科普夫说：“这就像有人对我说，‘马丁，你做得很好。’”
有关IXPE任务的更多信息
作为NASA小型探险家系列任务系列的一部分，IXPE使用猎鹰9号火箭于2021年12月从NASA位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射。它现在在地球赤道上方370英里（约595公里）的轨道上运行。这项任务是NASA和意大利航天局的合作项目，合作伙伴和科学合作者来自13个国家。鲍尔航空航天公司以及总部设在科罗拉多州布鲁姆菲尔德管理航天器的运作。
