你不知道的X 彰師大胡欽評(píng)助理教授研究成果獲登《科學(xué)》
↑蟹狀星雲(yún)脈衝星的巨型電波脈衝與X射線增亮的可能原理，以及本團(tuán)隊(duì)觀測(cè)方法的示意圖（圖片來源：HiggsTan）
彰化師範(fàn)大學(xué)物理學(xué)系胡欽評(píng)助理教授參與的國際研究團(tuán)隊(duì)，其突破性的研究成果於今年4月，發(fā)表於國際頂尖雜誌《科學(xué) (Science)》，胡欽評(píng)助理教授為該論文的共同第一作者與通訊作者。研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到蟹狀星雲(yún)脈衝星產(chǎn)生巨型電波脈衝 (Giant Radio Pulse) 時(shí)，其X射線有增亮的現(xiàn)象 (如圖1)。團(tuán)隊(duì)的核心成員包括日本理化研究所的榎戸輝揚(yáng)研究員，東京大學(xué)的寺澤敏夫教授，廣島大學(xué)的木坂將大助理教授，以及美國航空與太空總署 (NASA) 的 Keith C. Gendreau 以及 Zaven Arzoumanian 研究員等。
大質(zhì)量恆星以超新星爆炸終結(jié)一生。蟹狀星雲(yún) (圖2) 是1054年超新星爆炸的殘骸。該超新星為宋史記載的「天關(guān)客星」（1054年），也記載於日本的藤原定家「明月記」（天喜2年），以及數(shù)個(gè)中東的歷史記錄中。星雲(yún)中心的中子星稱為「蟹狀星雲(yún)脈衝星」。由於高速的自轉(zhuǎn)，蟹狀星雲(yún)脈衝星在無線電波、可見光、X射線和伽瑪射線都能偵測(cè)到周期性的脈衝訊號(hào)。
人們相信輻射是由脈衝星的磁球?qū)铀l(fā)出。然而，在無線電波段，不時(shí)會(huì)產(chǎn)生「巨型電波脈衝」的現(xiàn)象，此時(shí)無線電波的亮度會(huì)急劇增亮數(shù)百倍以上。這無法以尋常的輻射機(jī)制解釋，且暗示蟹狀星雲(yún)脈衝星可能存在著相當(dāng)極端的環(huán)境。
由於高速相機(jī)的進(jìn)步，Shearer的團(tuán)隊(duì)於2003年發(fā)現(xiàn)當(dāng)巨型電波脈衝發(fā)生時(shí)，可見光的脈衝也微幅增亮約數(shù)個(gè)百分點(diǎn)。由於輻射機(jī)制仍然未知，人們對(duì)在X射線和伽馬射線中是否可以找到類似的現(xiàn)象極感興趣。在過去的20年間，數(shù)個(gè)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大規(guī)模的觀測(cè)，卻未能看到類似的現(xiàn)象。
↑蟹狀星雲(yún)的多波段合成影像。藍(lán)色是X射線 (錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡)，紅色是可見光 (哈伯太空望遠(yuǎn)鏡)，紫色是紅外線 (史匹哲太空望遠(yuǎn)鏡)。X射線影像的明亮中心點(diǎn)是蟹狀星雲(yún)脈衝星。（影像版權(quán)：X射線: NASA/CXC/SAO/F.Seward; 可見光: NASA/ESA/ASU/J.Hester & A.Loll; 紅外線: NASA/JPL-Caltech/Univ. Minn./R.Gehrz）
自2017年，胡欽評(píng)參與的團(tuán)隊(duì)利用國際太空站上的NICER X射線望遠(yuǎn)鏡，與日本的臼田 (Usuda) 和鹿島 (Kashima) 電波望遠(yuǎn)鏡，針對(duì)蟹狀星雲(yún)脈衝星進(jìn)行同步觀測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生巨型電波脈衝時(shí)，X射線脈衝也變亮了約4% (如圖3)。由於無線電波和X射線的產(chǎn)生機(jī)制完全不同，因此X射線脈衝的增亮是令人驚訝的結(jié)果。該結(jié)果提供了脈衝星輻射機(jī)制的重要線索。由於X射線的能量遠(yuǎn)高於無線電波，僅管只增亮了4%，卻表示產(chǎn)生巨型電波脈衝時(shí)發(fā)出的能量比預(yù)期的大數(shù)百倍，這有待未來的理論模型進(jìn)行更進(jìn)一步的解釋 (如圖1)。此結(jié)果也幫助人們對(duì)脈衝星的磁球?qū)觾?nèi)高能粒子的生成提供新的見解。
這項(xiàng)研究的結(jié)果也為遙遠(yuǎn)宇宙中發(fā)生的神秘高速電波爆發(fā) (Fast Radio Burst) 的起源提供了重要的頭緒。高速電波爆發(fā)是近年發(fā)現(xiàn)的未知天文現(xiàn)象。由於觀測(cè)性質(zhì)相似，巨型電波脈衝是解釋高速電波爆發(fā)的可能現(xiàn)象之一。然而，這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)X射線的能量比以前認(rèn)為的要大，因此很難用巨型電波脈衝的模型簡(jiǎn)單地解釋高速電波爆發(fā)。另一方面，磁星 (磁場(chǎng)最強(qiáng)的一種中子星) 的爆發(fā)已被確認(rèn)為高速電波爆發(fā)最有可能的原因之一。這項(xiàng)研究為將來利用無線電波和X射線的多波段觀測(cè)來檢驗(yàn)?zāi)贻p磁星產(chǎn)生的巨型電波脈衝提供了重要的參考。
↑黑線是沒有發(fā)生巨型電波脈衝時(shí)的X射線脈衝波形，紅線是發(fā)生巨型電波脈衝時(shí)的波形，可看到有明顯的增亮的現(xiàn)象。藍(lán)線是巨型電波脈衝發(fā)生的相位分佈。（圖／彰化師範(fàn)大學(xué)提供）
※論文資料 Enoto, T.*, Terasawa, T.*, Kisaka, S.*, Hu, C.-P.*, Guillot S. et al. “Discovery of X-ray Enhancement Coinciding with Giant Radio Pulses from the Crab Pulsar,” 2021, Science Vol 372, Issue 6538, pp.187-190 (論文資料連結(jié)請(qǐng)點(diǎn)選：https://science.sciencemag.org/content/372/6538/187)
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