廣西大學再發新Nature

脈沖星風星云是由相對論電子和正電子在激波前沿撞擊周圍的超新星遺跡或星際介質而形成的。船帆座脈沖星風星云由一顆年輕的脈沖星(B0833-45，年齡11000年)提供能量，位于一個名為船帆座X的擴展結構內，而船帆座X本身就在超新星遺跡內。先前的X射線觀測顯示了兩個突出的弧，被噴流和反噴流平分。射電圖顯示，在星云的外部區域有60%的高線極化。

2022年12月21日，廣西大學物理科學與工程技術學院謝斐課題組在Nature 雜志在線發表題為“Vela pulsar wind nebula X-rays are polarized to near the synchrotron limit”的研究論文，該研究報告了對星云內部部分的X射線觀測，那里的偏振在前沿可以超過60%，接近同步加速器發射所能產生的理論極限。該研究推斷，與超新星遺跡的情況相反，脈沖星風星云中的電子在高度均勻的磁場中被加速，很少或沒有湍流。

成像X射線偏振探測器(Imaging X-ray Polarimetry Explorer，IXPE)提供了在其加速點附近的最高能量電子的X射線視圖。IXPE是美國宇航局-意大利航天局(ASI)的探測器，具有三個協同對準的X射線望遠鏡，每個望遠鏡都有一個基于氣體像素探測器的成像光電偏振計探測器單元。IXPE在兩個時期觀測了船帆座脈沖星風星云(PWN)——(1)2022年4月5日至2022年4月15日和(2)2022年4月21日至2022年4月30日——總曝光為860 k。數據從IXPE科學操作中心處理的公開文件中提取，并使用補充方法中所述的標準工具進行分析。

IXPE具有≤30″半倍直徑7的成像能力，能夠對PWN進行空間分辨率的偏振測量。在這項研究中，結合來自三個探測器單元的數據，分析了25個獨立的30″× 30″正方形區域。脈沖星和致密弧噴結構主要位于中心區域。脈沖星的熱分量為kT≈0.13 keV，對該區域IXPE的貢獻不到10%。IXPE沒有測量脈沖源的極化;這可能會增加或減少星云偏振，但由于低通量(和低預期PD14)，影響應該是小的。黑線表示線極化，線長表示PD高達62.8%。這些線與EVPA呈90°，因此顯示了投影磁場的方向，該方向與脈沖星射流軸高度對稱。

彎曲對稱PA模式表明，在25個測量區域中，PA會有一些變化，并且區域平均PD會下降。這在PWN的側面和后方最為明顯，在錢德拉圖像中看到的弧線是高度彎曲的，因此，下面的PA變化很快，產生了大量的去極化。由于極化遵循錢德拉x射線形態，我們預計在弧彎曲程度較低的區域PD略高，誤差較小，這使我們能夠在更大的區域進行平均。例如，沿對稱軸在星云前部的形態選擇區域提供了PD = 70.0±3.6%。

值得注意的是，對于覆蓋尖銳強度梯度區域的角分辨率極限附近的分析，由于氣體像素探測器中光電子軌道的重建而產生的影響可以人為地改變局部偏振值。蒙特卡羅分析表明，這是一個?5%的效應，PD在北部略有下降，在南部略有增加;我們的最大極化區幾乎不受影響。無論如何，船帆座的高PD和對稱模式意味著高度有序的磁場遵循PWN的環形結構。

該研究在IXPE上看到的高均勻性和環形磁結構明顯延伸到更大的半徑，其中4 '射電瓣的線極化表明磁場具有類似的對稱軸對稱。有趣的是，這種磁結構向北壓縮(顯然是由于PWN與更大的超新星遺跡相互作用)，并具有更大的曲率半徑，位于脈沖星的中心。由于中心的X射線明亮環面/噴流區幾乎沒有射電輻射，射電似乎追蹤了脈沖星后面一個更古老、更冷的電子群，并擴展到更大的半徑。盡管如此，在5 GHz和1.4 GHz都達到60%的大量射電極化表明IXPE探測到的有序和最小湍流場以更大的半徑延伸到這個射電發射區。

目前，我們對脈沖星本身的X射線偏振知之甚少。將需要更深入的觀測(可能需要更高的空間分辨率)來分離該成分，并與PA = 146.3±2.4°時PD = 8.1±0.6%的光學相位平均偏振進行比較。像蟹狀脈沖星一樣，船帆座的平均光學PA位于投影的環面軸附近。如果像蟹狀脈沖星一樣，相位平均X射線PD遠低于光學發射，該研究對星云估計的修正將非常小。

研究人員在船帆座PWN中發現了一個顯著的高X射線偏振，達到了大約45%的圖像和能量平均PD。非熱PWN光譜在IXPE能帶較亮;船帆座脈沖星本身發射的主要是軟熱X射線，這些X射線太微弱，偏振也很弱，目前無法探測到。我們的IXPE圖像充分地解析了PWN，表明偏振結構是關于投影脈沖星自旋(和固有運動)軸的對稱;這種對稱性在無線電極化研究中延伸到更大的角度。

整個星云中PA的變化意味著真正的局部極化更大，事實上，研究人員發現某些區域的PD值≥60%。這接近于觀測到的X射線光譜同步加速器發射所允許的最大PD，這意味著整個發射區域的磁場是高度均勻的。當發射同步加速器X射線的電子冷卻得非常快時，IXPE X射線被發射到加速度區附近。反過來，這反駁了湍流驅動的擴散激波加速，并建議其他過程，如重連接，應該在終止激波中激發PWN粒子。

Vela PWN的圖像平均極化作為能量的函數（圖源自Nature ）

綜上所述，IXPE對Vela和其他明亮PWNe的進一步研究應該將X射線偏振圖與致密結構的細節聯系起來，進一步探索相對論性激波加速的物理學。