X射线偏振成像探测器

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NASA的IXPE解开了历史上第谷超新星的谜团

ByNASA中文 2023年3月1日

一个国际科学家团队发现了450年前发现的一颗恒星爆炸残骸的新信息。这一结果为超新星爆炸产生的冲击波如何将粒子加速到接近光速提供了新的线索。这颗超新星遗迹被称为第谷，以丹麦天文学家第谷·布拉尼的名字命名，他在1572年注意到仙后座中这颗新“恒星”发出的明亮光芒。在这项新的研究中，天文学家使用NASA的X射线偏振成像探测器（IXPE）研究第谷超新星遗迹的偏振X射线。利用NASA X射线偏振成像探测器（IXPE）的数据，国际研究人员发现了第谷超新星残骸的新信息，第谷超巨星残骸是仙后座的一颗爆炸恒星，1572年首次在地球上看到它发出的光。这些结果为这些巨大的恒星爆炸产生的冲击波如何将粒子加速到接近光速提供了新的线索，并首次揭示了超新星爆炸波附近磁场的几何结构，如这张合成图像所示，爆炸波在喷射物质周围形成了一个边界。IXPE数据（深紫色和白色）与NASA钱德拉X射线天文台的数据（红色和蓝色）相结合，并与数字化巡天望远镜拍摄的视场中的恒星叠加在一起。影像来源：X射线数据： (IXPE: NASA/ASI/MSFC/INAF/R. Ferrazzoli, et al.), (Chandra: NASA/CXC/RIKEN & GSFC/T. Sato et al.) 光学数据：DSS 影像处理：NASA/CXC/SAO/K. Arcand, L.Frattare & N.Wolk IXPE首次揭示了激波附近磁场的几何结构，激波仍在从最初的爆炸中传播，并在喷射出的物质周围形成边界。了解磁场几何结构可以让科学家进一步研究粒子是如何在那里加速。 “第谷是所谓的历史超新星之一，在过去曾被人类观测到，并产生了持久的社会甚至艺术影响。”罗马意大利国家天体物理研究所的研究员里卡多·费拉佐利博士说。“在它第一次出现在天空450年后，能在这里用新的眼光再次看到这个物体，并从中学习，这很令人兴奋。”费拉佐利是最新发表的第谷发现的主要作者，该发现发表在最新一期的《天体物理杂志》上。测量X射线偏振可以告诉科学家，构成像第谷这样高能源的X射线的光波磁场的平均方向和顺序。偏振X射线是由在磁场中运动的电子产生，这个过程被称为“同步辐射”。X射线的极化方向可以映射回X射线产生位置的磁场方向。这些信息帮助科学家解决了天体物理学中一些最大的问题，比如第谷和其他物体是如何将粒子加速到比地球上最强大的粒子加速器更接近光速的。 “超新星残骸变成巨型粒子加速器的过程涉及到有序与混乱之间微妙的舞蹈。”马萨诸塞州剑桥哈佛大学天体物理中心高级天体物理学家帕特里克·斯莱恩说。“强而湍流的磁场是必需的，但IXPE向我们表明，也涉及到大范围的均匀性或相干性，延伸到加速度发生的位置。” 在几十年的运行中，NASA的钱德拉X射线天文台多次观测到第谷超新星遗迹，帮助研究人员对这一迷人的构造做出了里程碑式的发现。凭借其识别和跟踪偏振光X射线的能力，IXPE建立在钱德拉奠定的基础上。来自IXPE的信息使科学家们能够更好地理解宇宙射线（渗透到我们星系的高能粒子）被超新星残骸加速的过程。 IXPE以前所未有的清晰和规模帮助绘制了第谷磁场的形状。尽管之前的天文台曾在无线电波中观察过第谷的磁场，但IXPE在小于1秒差距（约3.26光年）的尺度上测量了磁场的形状——就人类经验而言，这是一个巨大的规模，但这是研究人员迄今为止观察这些遥远现象发出的高能“宇宙射线”来源的最近距离。这一信息对于科学家探索粒子在初始爆炸冲击波后如何加速非常有价值。研究人员还记录了IXPE在第谷和早期研究对象仙后座A超新星遗迹的发现之间的相似之处和令人惊讶的差异。两个超新星遗迹中磁场的总体方向似乎是放射状的，沿着一个方向向外延伸。但是第谷比仙后座A产生了更高程度的X射线偏振，这表明它可能拥有一个更有序、更稳定的磁场。第谷超新星被归类为Ia型超新星，当双星系统中的一颗白矮星粉碎它的伴星，捕获它的一些质量并引发剧烈爆炸时，就会产生这种超新星。白矮星的消失使碎片以极快的速度冲入太空。这类事件通常被认为是在太空中发现的大多数星系宇宙射线的来源，包括那些不断轰击地球大气层的宇宙射线。第谷超新星爆炸本身释放的能量相当于太阳在100亿年里释放的能量。这一光芒使得第谷超新星在1572年在地球上可以用肉眼看到，当时布拉赫和其他天文观测者（可能包括8岁的威廉·莎士比亚）发现了它。莎士比亚将在17世纪之交的《哈姆雷特》早期段落中对其进行描述。 IXPE是NASA和意大利航天局与12个国家的合作伙伴和科学合作者的合作项目。IXPE由NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心领导。总部位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德的鲍尔航空航天公司，与科罗拉多大学在博尔德的大气和空间物理实验室一起管理航天器操作。参考来源： https://www.nasa.gov/mission_pages/ixpe/feature/nasa-s-ixpe-unlocks-mysteries-of-historic-tycho-supernova.html

新闻

NASA发射新的任务，探索宇宙中最引人注目的物体

ByNASA中文 2021年12月10日2021年12月10日

2021年12月9日，周四，在佛罗里达州的NASA肯尼迪航天中心，SpaceX猎鹰9号火箭搭载着美国宇航局的X射线偏振成像探测器（IXPE）从39A发射场发射升空。IXPE探测器是第一颗专门测量来自各种宇宙源（如黑洞和中子星）的X射线偏振探测器。发射时间是美国东部时间凌晨1点。图片来源：NASA/Joel Kowsky NASA的X射线偏振成像探测器（IXPE）任务于美国东部时间周四凌晨1点由SpaceX 猎鹰9号火箭从佛罗里达州的NASA肯尼迪航天中心发射。 IXPE天文台是NASA与意大利航天局共同努力的成果，它是NASA第一个致力于测量宇宙中最极端和最神秘物体——超新星残骸、超大质量黑洞和几十个其他高能量物体——X 射线偏振的任务。 “IXPE代表了另一个非凡的第一，”位于华盛顿的NASA总部科学任务理事会的副局长托马斯·祖尔布钦说。“与我们在意大利和世界各地的合作伙伴一起，我们已经在我们的舰队中增加了一个新的太空天文台，这将在未来几年塑造我们对宇宙的理解。每个NASA的航天器都经过精心挑选，以实现新科学的全新观测为目标，而IXPE将以我们从未能看到的方式向我们展示我们周围的剧烈宇宙——比如爆炸的恒星和星系中心的黑洞。” 火箭按预期运行，探测器在飞行33分钟后分离。大约一分钟后，探测器展开了它的太阳能电池板。IXPE在大约372英里（600公里）的高度进入了绕地球赤道的轨道。发射大约40分钟后，任务操作员收到了第一批航天器的遥测数据。阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔航天飞行中心的IXPE首席研究员马丁·韦斯科普夫说:“看到自己几十年的努力变成现实并发射到太空，这是一种难以形容的感觉。”韦斯科普夫提出了航天器的想法，自20世纪70年代以来，他一直在X射线天文学领域进行开创性的实验。“这只是IXPE的开始。我们还有很多工作要做。但今晚，我们要庆祝!” IXPE携带三台最先进的太空望远镜和特殊的偏振敏感探测器。偏振是光的一种特性，它提供了光产生的环境的线索。这项新任务建立在其他望远镜科学发现的基础上，并对其进行补充，包括NASA旗舰X射线望远镜钱德拉X射线天文台。第一批轻型操作计划在一月份开始。作为NASA探险家计划的一个项目，NASA马歇尔为该机构的科学任务理事会管理IXPE任务。IXPE是NASA、意大利航天局以及其他12个国家的合作伙伴和供应商之间的国际合作。马歇尔建造了三台X射线望远镜。IXPE的偏振探测器由意大利航天局提供。位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德的波尔航天公司提供了这艘航天器，并在科罗拉多大学博尔德大气和空间物理实验室管理航天器的运行。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心负责管理探险家计划。有关IXPE任务的更多信息，请访问: https://www.nasa.gov/ixpe 参考来源： https://www.nasa.gov/press-release/nasa-launches-new-mission-to-explore-universe-s-most-dramatic-objects

NASA·每日一图

探索宇宙的秘密

ByNASA中文 2021年12月10日2021年12月10日

A SpaceX Falcon 9 rocket launches with NASA’s Imaging X-ray Polarimetry Explorer, or IXPE, spacecraft onboard from Launch Complex 39A, Thursday, Dec. 9, 2021, at NASA’s Kennedy Space Center in Florida. The IXPE spacecraft is the first satellite dedicated to measuring the polarization of X-rays from a variety of cosmic sources, such as black holes and neutron stars. Launch occurred at 1 a.m. EST. 2021年12月9日，周四，在佛罗里达州的美国宇航局肯尼迪航天中心，SpaceX猎鹰9号火箭搭载着美国宇航局的X射线偏振成像探测器（IXPE）从39A发射场发射升空。IXPE探测器是第一颗专门测量来自各种宇宙源（如黑洞和中子星）的X射线偏振探测器。发射时间是美国东部时间凌晨1点。 Image Credit: NASA/Joel Kowsky 图片来源：NASA/Joel Kowsky

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NASA新X射线任务，将解开极端宇宙天体的秘密

ByNASA中文 2021年12月9日2021年12月9日

图片来源：NASA 美国航空航天局（NASA）计划于12月9日向宇宙中发射一组新的X射线之“眼”：X射线偏振成像探测器（Imaging X-ray Polarimetry Explorer，IXPE）。作为同类型天文台中的第一个，X射线偏振成像探测器的目标是研究宇宙中一些最具活力的天体和物质，包括恒星爆炸后的残余物、从进食的黑洞中喷出的强大粒子流，以及更多其他的物质。不同于NASA的“旗舰版”X射线望远镜，X射线偏振成像探测器不会像钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）那样巨型而强大，它在成像能力上并不出色，但这一点会通过观察宇宙X射线源的一个特殊属性来弥补，这个特殊属性即偏振（polarization），迄今为止并未得到足够的探索。 “X射线偏振成像探测器的发射，标志着X射线天文学向前迈出了大胆而独特的一步，”X射线偏振成像探测器的首席研究员马丁·魏斯科普夫（Martin Weisskopf）博士说道，“X射线偏振成像探测器将告诉我们宇宙X射线源相关的更多精确性质，也就是仅通过研究它们的亮度和色谱我们并不能了解到的那些。” 什么是X射线偏振 X射线是一种高能光线，起源于物质处于极端条件下的地方，这些极端条件包括剧烈的碰撞、巨大的爆炸、1000万度的温度、快速的旋转和极强的磁场。X射线携带了导致它们产生的强大现象的详细信息，但是地球的大气层会阻止宇宙X射线到达地面，因此，它们只能由太空中的望远镜收集。偏振光携带着光线起源和传播经历的独特细节。光是由相互关联的电场和磁场组成的，它们以某种方向相互作用，使它们以与光的传播路径成一定角度的方向振荡或振动。这种振动可以是上下、左右或两者之间的任何位置，而偏振光由仅在一个方向上振动的电场组成。例如，来自一颗灯泡的光会产生在各种方向上振动的电场。如果光被某种粒子或表面散射或反射，它就会变成偏振光，即光的振动面只限于某一固定方向。寻求基本问题的答案利用X射线偏振成像探测器对偏振X射线进行分析，科学家可以更深入地了解天体的结构和行为、它们周围的环境，以及X射线形成方式的物理学。 X射线偏振成像探测器的偏振测量也将为天文学家几十年来一直想知道的问题提供线索，例如：黑洞的自旋是什么？对于脉冲星这种高速旋转的死亡恒星，密度高达一匙脉冲星的质量等同于地球上一座山的质量，是什么为它神秘的亮度提供了能量？我们对基本物理定律的理解是否适用于整个宇宙？ “X射线偏振成像探测器将帮助我们测试和完善我们关于宇宙如何运作的理论，”魏斯科普夫说，“在未来，可能会出现比我们如今的假设更令人兴奋的答案；更棒的是，我们可能会发现一系列新的待解谜团！” 对于同时也是钱德拉项目科学家的魏斯科普夫来说，他一直在追求X射线的偏振观测。这样的测量进行起来是困难的，它需要灵敏的仪器、可搭乘进入太空的火箭，以及漫长的观测时间。 X射线偏振成像探测器强大的新型X射线成像，是由意大利开发的最先进的偏振检测器实现的。X射线偏振成像探测器携带有3个相同的望远镜，每个望远镜都有一组嵌套的圆柱状反射镜，用于收集X射线并将它们馈送给一个探测器，这个探测器将对入射的X射线进行成像，并测量偏振的数量和方向。 “在X射线数据采集方面，这将是开创性的，”魏斯科普夫说，“我们将在未来几十年持续对结果进行分析。” X射线偏振成像探测器将于12月9日从美国佛罗里达州NASA肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center），搭乘猎鹰9号运载火箭（Falcon 9）发射升空。X射线偏振成像探测器是NASA和意大利航天局（Italian Space Agency）的合作项目，波尔航天技术公司（Ball Aerospace）是主要的行业合作伙伴。参考来源： https://www.nasa.gov/mission_pages/ixpe/news/nasa-s-new-x-ray-mission-will-unlock-secrets-of-powerful-cosmic-phenomena.html