NASA的任务研究万年一遇的伽马射线爆发
2022年10月9日，周日，一股强烈的辐射脉冲席卷了太阳系，天文学家很快就把它称为BOAT——有史以来最明亮的辐射。其源头是伽马射线爆（GRB），这是宇宙中最强大的一类爆炸。
NASA的雨燕、费米任务探测到异常的宇宙爆炸
10月9日，星期日，一股异常明亮、持续时间长的高能辐射脉冲席卷地球，世界各地的天文学家都为之着迷。这种辐射来自于伽马射线爆发（GRB），这是宇宙中最强大的一类爆炸，是已知最明亮的事件之一。 东部时间周日上午，一波X射线和伽马射线穿过太阳系，触发了NASA费米伽马射线太空望远镜、尼尔·格雷尔斯雨燕天文台、Wind航天器以及其他探测器。世界各地的望远镜转向该地点研究余波，新的观测仍在继续。 雨燕的X射线望远镜在首次探测到GRB 221009A大约一小时后捕捉到了它的余辉。明亮的光环是X射线从位于爆炸方向的银河系内无法观测的尘埃层散射而形成。 影像来源：NASA/Swift/A. Beardmore (University of Leicester) 被称为GRB 221009A的爆炸为第10届费米研讨会提供了一个意想不到的令人兴奋的开端，该研讨会是一次伽马射线天文学家的聚会，目前正在南非的约翰内斯堡举行。“可以肯定地说，这次会议真的是以一声巨响拉开了序幕，每个人都在谈论这个问题。”参加会议的NASA戈达德太空飞行中心费米项目副科学家朱迪·拉库辛说。 根据费米大区域望远镜（LAT）的数据构建的序列，显示了以GRB 221009A位置为中心的伽马射线天空。每一帧显示能量大于1亿电子伏特（MeV）的伽马射线，颜色越亮表示伽马射线信号越强。它们总共代表了超过10个小时的观测。来自我们银河系中平面的辉光呈现为一条宽的对角线带。图像的大约横跨天空20度。 图片来源：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration 该信号来自天箭座方向，经过估计19亿年才到达地球。天文学家认为，这代表了一个新黑洞的诞生，这个黑洞形成于一颗在自身重力下坍缩的大质量恒星的中心。在这种情况下，一个新生的黑洞驱动着接近光速的强大粒子喷流。这些喷流穿过恒星，向太空发射X射线和伽马射线。 雨燕的紫外/光学望远镜在可见光下拍摄的图像显示了GRB 221009A的余辉如何在大约10小时的过程中消退。这次爆炸出现在射手座，发生在19亿年前。图像直径约为4弧分。 影像来源：NASA/Swift/B. Cenko 这次爆发还为国际空间站上的两项实验——NASA的NICER X射线望远镜和日本的全太天X射线图像监测器（MAXI）——之间的联系提供了一个期待已久的首次观测机会。该连接于4月启动，被称为轨道高能监测警报网络（OHMAN）。它使NICER能够迅速转向MAXI探测到的爆发，这些操作以前需要地面科学家的干预。 “OHMAN提供了一个自动警报，使NICER能够在望远镜探测到放射源后三小时内进行跟踪。”戈达德NICER科学负责人扎文·阿佐马尼安表示。“未来的响应时间可能缩短至几分钟。” 这一古老爆炸的光带来了对恒星坍缩、黑洞的诞生、接近光速的物质的行为和相互作用、遥远星系的条件等问题的新见解。另一个如此明亮的GRB可能几十年内都不会出现。 据初步分析，费米大区域望远镜（LAT）探测到这次爆发长达10个多小时。爆发如此明亮和持久的一个原因是，对于GRB来说，它离我们相对较近。 “这次爆发比典型的GRB要近得多，这令人兴奋，因为它让我们能够探测到许多细节，否则这些细节会太微弱而无法探测。”费米LAT合作组织成员罗伯塔·皮莱拉说，他领导了关于爆发的初步交流，也是意大利巴里理工大学的博士生。“但不管距离远近，它也是有史以来见过的最有活力和最明亮的爆发之一，这都让人倍感兴奋。” 参考来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-swift-fermi-missions-detect-exceptional-cosmic-blast
NASA的NICER发现了蟹状星云脉冲星射电脉冲爆发的X射线增强
一项全球科学合作利用NASA国际空间站上的中子星内部成分探测器(NICER)望远镜的数据，发现了蟹状星云中脉冲星伴随射电爆发的X射线增强。这一发现表明，这些被称为巨型射电脉冲的爆发，释放出的能量远比之前猜测的要多。 NASA的中子星内部成分探测器(NICER)观测显示，蟹状星云脉冲星的随机巨型射电脉冲产生了X射线增强。观看视频了解更多信息。 视频来源:NASA戈达德太空飞行中心 脉冲星是一种快速旋转的中子星，是一颗爆炸后形成超新星的恒星的破碎的、城市大小的核心。一颗年轻的孤立中子星每秒可以旋转数十次，其旋转的磁场可以增强无线电波、可见光、X射线和伽马射线。如果这些光束扫过地球，天文学家就会观察到类似时钟的脉冲发射，并将其归类为脉冲星。 “在已编入目录的2800多颗脉冲星中，蟹状星云脉冲星是仅有的几颗发出巨型射电脉冲的天体之一，这些脉冲零星出现，其亮度可能是常规脉冲的数百倍到数千倍。”位于日本埼玉县和光市的RIKEN先锋研究集群的首席科学家榎户辉扬(Teruaki Enoto)说。”经过数十年的观察，只有蟹状星云脉冲星被证明可以通过频谱其他部分的发射来增强其巨大的射电电脉冲。” 蟹状星云是超新星爆炸产生的六光年宽的碎片云，其中有一颗每秒旋转30次的中子星，在X射线和射电波段是天空中最亮的脉冲星之一。这张哈勃太空望远镜图像的合成图揭示了爆炸中排出的不同气体：蓝色显示中性的氧，绿色显示单电离的硫，红色表示双电离的氧。 影像来源：NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) 这项新的研究将出现在4月9日的《Science》杂志上，现在可以在线获取，该研究分析了有史以来从脉冲星收集的最大数量的同步X射线和无线电数据。它将与这种增强现象相关的观测能量范围扩大了数千倍。 蟹状星云及其脉冲星位于约6500光年外的金牛座，形成于一颗超新星，其光线于1054年7月到达地球。这颗中子星每秒旋转30次，在X射线和射电波长下，它是天空中最亮的脉冲星之一。 在2017年8月至2019年8月期间，榎户辉扬和他的同事们利用NICER在X射线中反复观测蟹状星云脉冲星，X射线的能量高达1万电子伏特，即可见光的数千倍。在NICER观测的同时，该团队还使用日本的两台地基射电望远镜中的至少一台–鹿岛宇宙技术中心的34米天线和日本宇宙航空研究开发机构宇田深空中心的64米天线对该天体进行了研究，这两台天线的工作频率均为2千兆赫。 在2017年至2019年期间，NASA的中子星内部成分探测器（NICER）和日本的射电望远镜同时研究了蟹状星云脉冲星。在这张仅代表NICER观测13分钟的可视化图片中，数以百万计的X射线被绘制成相对于脉冲星的旋转相位，其中心是最强的射电发射。为了清晰起见，图中显示的是两次完整的旋转。当脉冲星光束扫过我们的视线时，它们会在每次旋转中产生两个峰值，较亮的那个峰值与更多的巨型射电脉冲有关。NICER的数据首次显示，与这些事件相关的X射线发射略有增加。 影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Enoto et al. 2021 联合数据集有效地为研究人员提供了近一天半的X射线和无线电覆盖时间。总的来说，他们捕捉到了370万次脉冲星自转的活动，捕获了大约26000个巨型射电脉冲。 巨型射电脉冲爆发得很快，在百万分之一秒内达到峰值，并且不可预测地发生。然而，当它们发生时，却与规律的时钟脉动一致。 NICER能在在100纳秒之内记录下其探测到的每一个X射线的到达时间，但望远镜的计时精度并不是它在这项研究中的唯一优势。 “NICER观测明亮X射线源的能力几乎是脉冲星及其星云亮度总和的四倍，”NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的项目科学负责人扎文·阿尔祖马尼亚(Zaven Arzoumanian)说。”因此，这些观测结果基本上没有受到堆积的影响（堆积指的是探测器将两束或两束以上的X射线视为一个单一事件），而其他一些问题则使早期的分析更加复杂。” 榎户辉扬的团队综合了所有与巨型射电脉冲相吻合的X射线数据，现了与之同步发生的X射线增强的幅度约为4％。这与2003年发现的可见光增加3%的现象非常相似。与蟹状星云脉冲星的常规脉冲和巨型脉冲之间的亮度差异相比，这些变化非常小，为理论模型的解释提供了挑战。 这些X射线的增强表明，巨型射电脉冲是产生横跨电磁波谱（从无线电到X射线）的发射的基本过程的一种表现。而由于X射线的冲击力是无线电波的数百万倍，即使是适度的增加也代表着巨大的能量贡献。研究人员得出的结论是，与巨型射电脉冲相关的总发射能量比之前仅从无线电和光学数据中估计的高出几十到几百倍。 “我们仍然不知道脉冲星是如何或在哪里产生它们复杂而广泛的辐射，令人欣慰的是，我们为这些迷人天体的多波长谜题做出了贡献。”榎户辉扬说。 NICER是美国宇航局探索计划中的机遇号天体物理学任务，利用太阳物理学和天体物理学科学领域的创新、精简和高效的管理方法，为来自太空的世界级科学研究提供频繁的飞行机会。NASA的空间技术任务理事会支持该任务的SEXTANT部分，展示基于脉冲星的航天器导航。 参考来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-nicer-finds-x-ray-boosts-in-the-crab-pulsar-s-radio-bursts
中子星J0030表面的热点图
2019 December 18 A Hotspot Map of Neutron Star J0030’s Surface Image Credit: NASA, NICER, GSFC’s CI Lab Explanation: What do neutron stars look like? Previously these city-sized stars were too small and too far away to resolve. Recently, however, the first maps of the locations and sizes of hotspots on a neutron star’s surface have been made by carefully modeling how the rapid spin makes the star’s X-ray brightness rise and fall. Based on a leading model, an illustrative map of pulsar J0030+0451’s hotspots is pictured, with the rest of the star’s surface filled in with a false patchy blue. J0030 spins once every 0.0049 seconds and is located about 1000 light years away. The map was computed from data taken by NASA’s Neutron…
NASA探测到迄今为止最明亮的X射线爆发
这幅插图描述了I型X射线爆发。这种类型的X射线爆发首先吹散氢层，氢层膨胀并最终消散。之后，不断增强的辐射积聚到一定点后会吹散氦层，氦层会超过膨胀的氢层。爆发过程中发射出的一些X射线从吸积盘上散射开来。然后火球迅速冷却，氦又重新回到脉冲星表面。 版权：NASA戈达德太空飞行中心/Chris Smith ，大学空间研究联合会（USRA） 美国东部时间8月20日晚10点04分左右，美国国家航空航天局（NASA）在国际空间站的中子星内部成分探测望远镜（Neutron star Interior Composition Explorer，NICER）探测到X射线的突然激增。这次X射线爆发是由脉冲星表面的大规模热核爆炸引起。脉冲星是很久以前超新星爆炸形成的恒星残骸。 这次X射线爆发是NICER探测到迄今为止最明亮的一次，爆发来自一个名为SAX J1808.4-3658的天体，简称J1808。关于这次爆发的观测结果揭示了许多从未在单次爆发中同时出现过的现象。此外，火球在逐渐减弱过程中重新短暂变亮了一下，天文学家们尚未找到能够解释这一现象的原因。 NASA戈达德太空飞行中心和马里兰大学帕克分校的天体物理学，首席研究员彼得•布尔特（Peter Bult）表示：“这次爆发非常突出。我们发现亮度经历了两个步骤的变化，我们认为这是由脉冲星表面不同层的喷射所导致，其他特征将帮助我们解读这些事件中所包含的物理学奥秘。” 天文学家们将这次爆发归类为I型X射线爆炸（Type I X-ray burst），它在20秒内释放了相当于太阳在近10天内所释放的能量。NICER在本次创纪录的喷射过程中所捕获到的细节将有助于天文学家们更好地理解驱动本次爆发以及其他暴态脉冲星热核爆炸的物理过程。 [rml_read_more] NASA的NICER所观测到的迄今为止最明亮的X射线爆发是由一颗名为J1808的脉冲星的热核爆炸所导致。这次X射线爆发发生于2019年8月20日，在20秒内释放了相当于太阳在近10天内所释放的能量。请点击视频查看科学家们对这一巨大爆发的发生是怎么认为的。 版权：NASA戈达德太空飞行中心 脉冲星是中子星的一种，是大质量恒星耗尽燃料在自身重量下坍缩并爆炸后所遗留下来的致密内核。脉冲星可以快速旋转，其两个磁极各有一个辐射波束。当脉冲星旋时，辐射束周期性地扫过我们的视线范围，形成有规律的高能辐射脉冲。 J1808位于约11000光年之外的人马座，每秒旋转401圈，是一个双星系统中的一员，其伴星是一颗褐矮星（大于巨行星，但又因质量太小不足以成为恒星）。一股稳定的氢气流从伴星流向中子星，并积聚在一个被称为吸积盘（accretion disk）的巨大存储结构中。 吸积盘中的气体不轻易向内移动。但是每隔几年，像J1808这样的脉冲星周围的吸积盘就会变得非常密集，以至于大量的气体被电离或失去电子。这使得光线更难穿过吸积盘。吸积盘内的能量开始了加热和电离的失控过程，从而捕获了更多能量。盘内气体变得越来越难以流动，并开始向内盘旋，最终落到脉冲星上。 氢气像雨点一样落在脉冲星表面，形成了一个越来越热、越来越深的全球“海洋”。在这一层底部，温度和压力不断升高直到发生将氢融合为氦的核融合反应，这一反应过程中伴随能量产生 – 这也是在太阳核心部分发生的过程。 戈达德戈达德太空飞行中心的NICER副首席研究员，同时也是论文共同作者的Zaven Arzoumanian表示：“氦气稳定下来形成了单独的氦层。当氦层达到几米深，条件将允许氦原子核融合成碳原子。然后氦会爆发释放出穿过整个脉冲星表面的热核火球。” 天文学家采用了一个名为爱丁顿极限（Eddington limit）的概念。这个概念是以英国天体物理学家阿瑟•爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）而命名的，用来描述恒星在膨胀前的辐射强度上限值。该上限值很大程度上取决于发射源的上层物质组成。 论文共同作者，麻省理工学院物理学教授迪普托•查克拉巴蒂（Deepto Chakrabarty）表示：“我们的研究以一种新的方式诠释了这个存在已久的概念。我们显然看到了同一X射线爆发中两种不同成分的爱丁顿极限。这是追踪这次爆发事件背后核燃烧反应的一个非常强大而直接的方式。” 当爆发开始时，NICER的数据显示其X射线亮度先稳定了近一秒，然后再次以较慢的速度升高。研究人员将这种“停滞”（stall）解释为爆炸产生的能量积聚到足以将脉冲星的氢层吹入太空的那一瞬间。 火球继续持续了两秒后达到顶峰，吹散了更大的氦层。氦层的膨胀速度更快，在消散之前就超过了氢层，然后减速停止再回到脉冲星表面。在这一阶段之后，脉冲星短暂地变亮了约20%，研究团队尚未弄清其中的缘由。 在J1808最近一轮的活动中，NICER探测到了另一次相对微弱的X射线爆发，这次爆发中没有表现出在8月20日的爆发事件中所观察到的关键特征。 除了检测不同层的膨胀，NICER对爆发的观测还揭示了吸积盘的X射线反射，并记录了“爆发振荡”（burst oscillations）的闪烁现象 – X射线信号在脉冲星的自旋频率上下波动，但信号的发射位置与通常X射线辐射波束的位置不同。 关于描述这一发现的论文已经发表在《天体物理学杂志通讯》（ Astrophysical Journal Letters）上，可以戳阅此处进一步了解。 NICER是NASA探索者计划中的一项天体物理任务，该计划利用太阳物理学和天体物理学领域内的创新、简化和高效的管理方法，为世界级的科学研究提供频繁的飞行机会。NASA太空技术任务理事会对该任务的SEXTANT（Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation Technology）组成部分提供支持。SEXTANT部分对基于脉冲的航天器导航进行演示。 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasas-nicer-catches-record-setting-x-ray-burst
中子星内部成分探测器夜间的探测图像
2019 June 1 晚上的中子星内部成分探测器 图片来源：NASA, NICER 作为国际空间站上的有效载荷，中子星内部构成探测器（NICER）每隔93分钟就会绕地球轨道行星地球轨道运行地球轨道上的宇宙X射线源。在夜间轨道运行期间，它的X射线探测器保持开启状态。因此，由中子星内部构成探测器的22个月数据绘制的全天空地图上，随着中子星内部构成探测器从一个目标到另一个目标的摆动，明亮的弧线被描绘出来。这些弧线往往聚集在NICER经常瞄准和监视的X射线天空中的突出亮点————脉冲星上。脉冲星是一种旋转的中子星，能发射出类似时钟的X射线脉冲。它们的计时非常精确，可以用于导航、确定航天器的速度和位置。这张NICER的X射线全图是以与天体赤道水平对称的坐标组成。 NICER at Night Image Credit: NASA, NICER Explanation: A payload on board the International Space Station, the Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) twists and turns to track cosmic sources of X-rays as the station orbits planet Earth every 93 minutes. During orbit nighttime, its X-ray detectors remain on. So as NICER slews from target to target bright arcs and loops are traced across this all-sky map made from 22 months of NICER data. The arcs tend to converge on prominent bright spots, pulsars in the X-ray sky that NICER regularly targets and monitors. The pulsars are spinning neutron stars that emit clock-like pulses of X-rays. Their timing is so precise it can be used for navigation, determining…