天文学者发现超软X射线源

09-28 22:28 来自北京

神秘宇宙中的超软X射线源揭秘

M101风车星系

M101（风车星系）图像，该星系是部分超软X射线源的所在地之一。图片来源：NASACXC阿拉巴马大学M。穆希布拉赫等人；光学图像：NASACXC史密松天体物理台N。沃尔克

X射线揭示了宇宙中一些最独特的天体。中子星和黑洞从伴星吸积气体时，会发出强烈的X射线辐射，成为该波段下极为醒目的天体。然而，根据阿拉巴马大学的穆斯塔法穆希布拉赫与吉米厄文，以及哈佛史密森天体物理中心的罗珊娜迪斯蒂芬诺共同撰写的一篇新论文，我们此前可能完全忽略了另一类极亮X射线源。他们将其命名为超软X射线源（HSSs），据随论文发布的新闻稿称，这类天体或许能解答两个长期困扰天文学家的问题。

首先，让我们定义一下什么天体属于HSS。X射线是宇宙中能量最高的光子类型，其能量范围从几百电子伏特（eV——天文学中衡量光子能量的标准单位）到几千电子伏特不等。紧接在其下方的是极紫外（EUV）光子，能量范围介于13。6eV至124eV之间。

在宇宙中寻找极紫外光（EUV）天体非常困难，因为弥漫在星际和星系际介质中的中性氢和氦会极其有效地吸收这些光子，使得很少有光子能够到达地球。然而，一个在该波段发光强烈的天体会通常产生一条向软X射线谱段延伸的光子尾巴，即最低能量（或超软）形式的X射线。

在分析美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台的数据时，该团队设定了一系列标准来定义高亮度软X射线源的特征：它们必须在150至300电子伏特能量范围内可被观测到，且在此能量以上基本无发射信号，同时其在软X射线波段产生的光子数量应是硬X射线波段的8倍。当研究六座邻近星系，包括仙女座星系和涡状星系时，团队共发现84个明确的高亮度软X射线源，数量远超预期，显示出大量极为明亮的天体存在。

一个显而易见的问题是：如果这些源如此明亮，为什么我们直到现在才发现它们？钱德拉望远镜已经运行了二十多年，肯定早有人仔细搜寻过这些数据中的此类天体。答案在于大多数研究团队为简化自身数据分析而采用的一种技术。

校准在宣布天文发现的新闻稿中很少被提及，但它却是任何数据分析的关键环节。而将望远镜校准到能够精确收集低能X射线数据尤为困难。因此，大多数研究团队通常会滤除300电子伏特以下的能量数据，以确保消除数据集中的背景噪声。

更糟糕的是，钱德拉本身在该能量水平上逐渐失去了灵敏度。来自望远镜本身的出气污染了ACIS相机的冷光学滤光片，形成了一层污染物，过滤掉了软X射线。通过使用星系团阿贝尔1795的稳定光芒，作者表明到2017年时，钱德拉在该能段的灵敏度已降至初始能力的20％以下。因此，他们仅使用了在此之前的数据集，以确保数据的准确性。

弗雷泽谈到不同类型的超新星

计算这些天体之一所释放的能量，得出的数据令人震惊。仅在软X射线能段，它们的辐射能量就达到了太阳全波段辐射能量的数万到数十万倍。通过估算其总辐射量，这需要使用全波段修正来弥补地球上无法直接观测到的极紫外光部分，最明亮的这些天体其能量水平可与超亮X射线源媲美，并且在没有活跃超大质量黑洞或剧烈恒星形成活动的星系中，它们位列最明亮的非爆炸性天体之一。

根据作者们所述，这些极其明亮的天体可能由三种潜在机制驱动。首先，他们指出，其中至少一些天体的位置与我们已知新星爆发的区域完全吻合，尤其是在仙女座星系中。当白矮星抛射其外层物质后，其经历的氢燃烧会逐渐停止，随后进入一个短暂的超软冷却阶段。

其次，白矮星可以从伴星吸积物质，使其光球层膨胀，并使其辐射向极紫外（EUV）和超软X射线波段偏移。但对于能量更高的高软谱态源（HSS），其成因更可能是由恒星级或中等质量黑洞所驱动，这类黑洞周围存在温度较低的吸积盘，从而产生极为明亮的辐射。

弗雷泽解释了Ia型超新星的发生过程

无论来源如何，据作者所述，这些天体有可能帮助解答两个宇宙谜题。第一个谜题是Ia型超新星的起源。这类恒星爆炸被用作测量天体距离的标准烛光，但我们至今尚未真正找到会爆发成这种超新星的恒星。论文指出，应当存在一群软X射线恒星，它们可能是此类超新星的前身星，但以往的巡天观测所发现的数量比理论预期低了几个数量级。这项新研究提出，它们或许就隐藏在极软X射线和极紫外波段中，只是此前未被充分探测到。

第二个谜题是星际氦的电离现象。尽管氦能够屏蔽多种类型的极紫外辐射，但这些辐射仍以不同的能量波段向外传播。然而，科学家发现，其辐射能量远高于通常认为能够激发它们的恒星类型所预期的能量水平。高速星风（HSSs）可能提供这部分缺失的能量，特别是当其能量峰值集中在氦最有效吸收的15–25eV范围内时。

即使HSS并非那两个谜题的答案，这篇论文也展示了：即便是十多年前的数据，在采用新方法分析时仍可能带来惊喜。虽然我们还需要一段时间才能迎来钱德拉望远镜的继任者，从而对这些新发现的明亮天体获得更深入的认识，但至少目前而言，或许值得重新仔细审视这台经典望远镜已收集的数据。

钱德拉——NASA的钱德拉望远镜揭示神秘X射线天体

M。穆希布拉赫、J。A。欧文与R。迪斯特凡诺——超软X射线源作为一类低能高光度宇宙辐射体

天文学家利用钱德拉数据制作出M87喷流最详细的X射线图像

美国宇航局钱德拉X射线天文台与詹姆斯韦布空间望远镜的协同观测，揭示了宇宙更为丰富的细节。