“魔戒”——星际尘埃的X射线散射效应

作者: ⾦驰川

来源: 中国科学院国家天⽂台

发布日期: 2023-09-07 07:30:36

本文介绍了星空中X射线爆发天体周围的环状结构,即“魔戒”,并探讨了其成因、作用及未来研究展望。通过分析尘埃散射环和散射晕,可以提取星际尘埃颗粒的性质和分布信息,并测量爆发天体的绝对距离。随着X射线天文学的发展,特别是爱因斯坦探针卫星的发射,该领域的研究有望迎来新的发展机遇。

在专业天⽂望远镜的视野中,星空中的天体呈现出丰富多彩、形态各异、变幻莫测的特点。其中,偶尔会有⼀些天体产⽣爆发,短时间内急剧变亮,释放出巨⼤的能量。这种爆发可以发⽣在所有的电磁波段,包括X射线。有趣的是,在一些X射线爆发天体的周围,偶尔可以观测到⼀些⾮常美妙的环状结构,宛如⼀颗⼩⽯⼦投⼊平静湖⾯所激起的涟漪。

例如,图1展⽰了⼀个发⽣于2022年的剧烈的⾼能爆发天体GRB 221009A,其周围可以看到明显的多层X射线环。图2则展⽰了2015年⼀个⿊洞X射线双星V404 Cygni的爆发,其周围也能看到类似的X射线环状结构。此外,图中还显⽰这些环随着时间在持续膨胀。这种特殊的X射线环宏⼤、优美、精巧,神秘感满满,令⼈不觉想起电影《指环王》中的⾄尊魔戒,因而被⼀些天⽂学家戏称为星空“魔戒”。

“魔戒”通常伴随着遥远天体的突然爆发⽽出现。这个天体可能是由⼀颗致密星(如中⼦星、⿊洞)与⼀颗恒星互相绕转的双星系统所产⽣的爆发,由于伴星物质落⼊致密星⽽引发;或是由⼀颗⼤质量恒星死亡坍缩所产⽣的爆发;亦或是其它类型的⾼能爆发天体。总之,这个爆发天体在短时间内发射了⼤量的X射线光⼦。

这些X射线光⼦中,有些沿着图3(左)中的路径1直线穿越了⼴袤的星际空间到达地球,被⼈类的X射线太空望远镜观测到,成为X射线图像中⼼的那个点源。但是,也有⼀些X射线光⼦并⾮直线传播到地球。⽐如图3(左)中的路径2,这些光⼦⼀开始并不朝着地球⽅向,但在传播过程中被星际尘埃颗粒所散射,从⽽改变⽅向到达地球。这些光⼦到达地球时的⾓度与路径1的光⼦不同(图中的θ⾓),因⽽在图像⾥是出现在中⼼点源的旁边。

由于这种散射过程在⽅位⾓上是360度对称的,因⽽散射的光⼦在图像上形成了⼀个围绕中⼼点源的环状结构。“魔戒”的出现揭⽰了星际空间中尘埃颗粒的性质和分布,这些信息难以通过其它观测⼿段获得。例如,通过分析尘埃散射环和散射晕的⼤⼩及形状,可以提取星际尘埃颗粒的⼤⼩及其在空间中的分布信息。

⽐如对银河系中⼼的爆发中⼦星X射线双星AX J1745.6-2901的尘埃散射晕研究,可以分辨出银⼼到地球的星际空间中存在⾄少4层主要的尘埃层。其次,测量⼀个爆发天体离地球有多远通常是⾮常困难的,但这个绝对距离又⾮常重要。⽐如只有知道了绝对距离,才能知道这个天体的爆发真正释放了多少能量。

如果观测到这个天体被“魔戒”环绕,并且还能够观测到“魔戒”在不断变⼤的过程,就能够准确测量从不同⾓度到达地球的光⼦及其到达的时间延迟也即光程差,从⽽能够很好地计算爆发天体的绝对距离。⽬前,国际上X射线波段的星际尘埃研究相对较少。其中⼀个主要原因是对X射线爆发天体及其前景尘埃散射的探测能⼒不⾜。但是,随着X射线天⽂学的快速发展,特别是时域天⽂学和精测天⽂学的进步,该领域的研究也有望迎来新的发展机遇。

⾸先,我们对X射线爆发天体的捕捉能⼒即将迎来⼀个巨⼤的提升,这主要得益于我国即将发射的爱因斯坦探针卫星(Einstein Probe,简称EP,见图5)。EP是⼀颗软X射线波段的时域天⽂卫星,将于今年底发射,其主要科学⽬标为发现并监测全天的各类X射线爆发天体。EP拥有国际上最⼤的软X射线瞬时视场(3600平⽅度),探测灵敏度和定位精度优于国际同类监视设备1-2个数量级。

同时,EP在快速响应和后随观测⽅⾯也具备国际⼀流的能⼒。因此,EP可以快速发现和定位⼀批X射线爆发天体,并能够在软X射线波段探测环绕这些源的“魔戒”,持续监测其变化。

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