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            清華大學團隊首次發現脈沖星新現象

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            “極光計劃”對蟹狀星雲進行觀測的藝術表現圖

              5月11日,清華大學天文系教授馮驊課題組與合作者在《自然·天文》雜志發表封面文章,報道瞭清華大學主導的空間天文項目“極光計劃”的最新成果:“極光計劃”配備的X射線偏振探測器在衛星上經過1年的觀測,探測到來自蟹狀星雲及脈沖星(中子星的一種)的軟X射線偏振信號,並首次發現瞭脈沖星自轉突變和恢復過程中X射線偏振信號的變化,說明在此過程中脈沖星磁場發生瞭變化。這一探測結果也標志著,由於技術困難停滯瞭40多年的天文軟X射線偏振探測窗口重新開啟。

            “極光計劃”立方星和探測器結構示意圖

              作為一門觀測驅動的科學,天文學的發展在很大程度上依賴新的觀測方法和手段。新的觀測方法和手段被稱為天文觀測的新窗口。X射線是電磁波的一種,是研究黑洞、中子星等天體的最主要媒介。偏振是電磁波的基本屬性之一,其在生活中的應用包括3D電影和液晶顯示。而X射線偏振是具有重要科學價值的獨特的天體物理探針,是研究黑洞、中子星等高能天體的強有力工具。1968年,美國科學傢率先開展瞭天文X射線偏振探測,於1971年在一次探空火箭實驗中見到瞭成功的希望,並在1975年發射的OSO-8衛星上完成瞭第一次精確測量,這次測量發現瞭蟹狀星雲的X射線輻射具有高度線偏振,起源於同步輻射。然而,由於上一代技術的局限性,其探測效率和靈敏度低下,天文軟X射線偏振探測在這次實驗之後便陷入瞭停滯。

              2001年,隨著核探測技術的發展,意大利科學傢證實瞭一種新型粒子探測技術可用於高靈敏度X射線偏振測量。2009年,清華大學馮驊教授帶領團隊開始對X射線偏振探測技術進行探索和改進,在國際合作的基礎上歷經多年技術積累,在實驗室裡研制出瞭高靈敏度低系統誤差的X射線偏振儀。這個火柴盒大小的探測器瓶頸之一就在於探測器封裝,其氣體純度要求為99.999%以上。但是探測器腔體材料會吸附雜質氣體,當純凈的氣體充入後,雜質會慢慢擴散,使得純度下降,導致探測器最初的工作壽命隻有約30分鐘。馮驊教授團隊成功解決瞭這個問題,使得探測器封好之後5-10年性能都不會改變。“空間天文是一個系統工程,哪一個環節出問題,整個項目都會失敗,這也是空間天文項目的難度所在。”馮驊說。

            蟹狀星雲的X射線圖和探測器直接測到的電子徑跡圖像

              新的探測技術和方法需要進行飛行驗證,為此,馮驊教授提出瞭“極光計劃”,希望利用微納衛星平臺在衛星軌道上直接驗證X射線偏振探測技術,從而提高技術成熟度,為未來的空間天文探測所用。2018年10月29日,“極光計劃”探測器發射升空,經過1年的觀測,探測到來自蟹狀星雲的X射線偏振信號,並發現瞭有關脈沖星的新天體物理現象,也就是當蟹狀星雲脈沖星自轉周期突然變化之後,其X射線偏振也發生瞭顯著的變化。

              脈沖星是一種極其精確的“時鐘”,但是經常會在某一個時間點發生一次突變,然後慢慢恢復,這種自轉突變是一種有待研究的天文現象。2019年7月23日,蟹狀星雲脈沖星發生瞭一次自轉突變,其偏振信號的變化被“極光計劃”探測器捕捉,經過幾十天它的偏振信號又慢慢恢復,這一新的發現有助於理解脈沖星也就是中子星的內部結構。

              載人航天工程應用系統總設計師顧逸東院士表示:“極光計劃采用商業化立方星成功測量瞭蟹狀星雲及脈沖星的偏振信號,獲得脈沖星的X射線偏振隨時間變化的重要成果,同時闖出瞭一條低成本開展空間天文研究的創新途徑,對推動高校空間科學發展有重要意義。”

              “極光計劃”探測器是40多年來國際上第一個專門的空間天文軟X射線偏振探測器,宣告瞭這個天文探測窗口的重新開啟,而關於蟹狀星雲脈沖星自轉變化物理過程的意外發現,也說明瞭這個新窗口的重要性。

              據悉,“極光計劃”所采取的技術將被應用到我國下一代大科學工程“增強型X射線時變與偏振天文臺(eXTP)”上。eXTP是中國領導的大型中歐合作項目,預計2027年發射。作為eXTP首席科學傢,中科院高能所粒子天體物理中心主任張雙南研究員說:“極光計劃發展瞭最先進的X射線偏振測量技術,實現瞭歷史上僅有的第二次天體X射線偏振測量。這不但驗證瞭40多年前的第一次測量結果的正確性,而且還很有可能發現瞭一個極具科學價值的新現象,這有助於理解中子星的內部結構以及自轉變化如何影響其外部磁場。極光計劃的成功表明,目前正在研制和計劃中的X射線偏振測量空間項目的科學潛力巨大,其結果也對未來新項目的科學目標確定和技術方案選擇提供瞭新的思路。”

              清華大學天文學科創始人李惕碚院士表示,“清華天文從起步之日起,空間天文就是一個重要的、極具特色的發展方向。‘極光計劃’是清華大學主導的第一個空間天文項目,是理工結合的成效。”“極光計劃”負責人馮驊是清華大學天文系教授、工物系兼職教授,該項目的成功實施得益於核技術在天文探測中的應用,體現瞭理工結合、學科交叉的特色。

              馮驊是論文的第一作者和通訊作者。“極光計劃”的合作單位還包括意大利國傢核物理研究院(INFN-Pisa)、意大利國傢天體物理研究院(INAF/IAPS-Rome)、中科院高能物理研究所、北京大學、寧波工程學院、北方夜視和天儀研究院。同時,“極光計劃”探測器和衛星的日常運行均由學生負責,是學生培養的重要平臺。“極光計劃”搭載在天儀研究院的“銅川一號”立方星上,此星還裝載瞭一個學生項目——“天格計劃”,希望利用立方星組網實現宇宙伽馬射線暴探測。“我們期待未來清華在空間天文上做出更精彩的工作。”馮驊說。