NASA太空望远镜绘制‘灯塔’脉冲星磁场图

引言

脉冲星是宇宙中极端物理的天然实验室。它们是大质量恒星死亡后留下的致密核心——中子星，质量超过太阳却压缩到城市大小，磁场极强且高速自转。位于“灯塔星云”（Lighthouse Nebula）中心的脉冲星PSR J1101−6101每秒旋转16次，其周围的高能粒子与星际介质相互作用，形成弓形激波和细长的丝状结构。长期以来，科学家猜测最高能量的粒子会穿过弓形激波，沿银河系磁场线逃逸，但缺乏直接观测证据。

观测与发现

2025年6月，NASA的IXPE（成像X射线偏振测量探测器）对灯塔星云进行了近18天的连续观测。IXPE专门测量X射线偏振，即X射线电场振动方向，从而揭示磁场方向。研究团队聚焦于脉冲星延伸出的两条窄X射线分支：较长的称为“丝状结构”（filament），较短的称为“尾迹”（trail）。这些结构由接近光速运动的电子在磁场中辐射产生。

磁场测量

通过开发先进的数据分析方法，IXPE团队成功提取了丝状结构、尾迹以及脉冲星本身的偏振信号。分析结果以超过99%的置信度确认：丝状结构中的磁场方向与粒子流方向平行。这直接证实了2008年提出的理论——高能粒子确实沿银河系磁场线逃逸，形成细长的丝状结构。领导该研究的斯坦福大学本科生Jack Dinsmore表示：“测量偏振就是寻找‘确凿证据’，如果磁场指向沿丝状结构，就证明粒子沿磁场流动。”

偏振与湍流

然而，观测结果也带来了新谜题。丝状结构的偏振度非常高，这意味着磁场湍流比现有模型预期的要低得多。许多理论模型假设丝状结构中存在强磁湍流，但IXPE的数据显示湍流水平远低于模型要求。斯坦福大学教授Roger Romani指出：“高偏振度表明湍流比模型假设的低得多，这迫使我们需要重新审视粒子加速和磁场结构的理论。”

多波段对比

IXPE的X射线观测还显示，尾迹区域的X射线发射磁场方向与尾迹平行。但研究团队同时收集了射电波段的观测数据，发现射电辐射对应的磁场方向几乎与X射线方向垂直。意大利国家天体物理研究所的Niccolò Bucciantini表示：“X射线和射电波段磁场方向的显著差异，有力证明了这些天体具有高度结构化的性质。这是首次明确显示不同能量的粒子占据系统内不同区域，暗示存在多种、可能截然不同的加速机制。”

意义与展望

这项研究首次利用X射线偏振直接测量脉冲星风星云的磁场结构，为理解极端天体中的粒子加速和磁流体动力学提供了关键约束。IXPE的观测能力不仅验证了理论预测，还揭示了超出预期的低湍流和能量依赖的磁场结构，推动理论模型进一步发展。未来，IXPE将继续观测其他脉冲星和致密天体，结合多波段数据，有望揭开宇宙线起源和极端物理过程的更多秘密。相关论文于2026年7月10日发表在《天体物理学报》。

• 脉冲星PSR J1101−6101位于灯塔星云，自转周期约16次/秒。
• IXPE在2025年6月观测18天，使用先进数据分析提取微弱信号。
• 丝状结构磁场与粒子流平行，偏振度高达99%置信度。
• 高偏振度表明磁场湍流低于预期，挑战现有模型。
• 射电与X射线磁场方向垂直，揭示不同能量粒子分布差异。
• 研究由斯坦福大学本科生Jack Dinsmore领导，合作机构包括NASA、意大利国家天体物理研究所等。

原标题：NASA space telescope maps magnetic fields of 'Lighthouse' pulsar。 来源：phys.org。

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