高能天体物理的符号·恒星级天体部分
早就有打算写一写标志性的高能天体辐射源了,先挑几个名气响的恒星级天体下手。由于这些天体普遍发现早、观测多,可以说是早被人们研究了一个底朝天。仅凭历年积累的数据量以及在业内的名气来看,它们都无愧于高能符号的称谓。不过本文关注的是深空源,所以太阳虽然是强X射线源,但就不属于本文涉及的范围之内了。>
普通天体的高能辐射其实并不显著,太阳作为强源在很大程度上还是沾了距离近的光。出名的恒星级高能辐射源大抵和致密星脱不开干系,要么是年轻脉冲星的磁层加速带电粒子,要么是致密天体吸积释能,文中介绍的几个都是如此。
蟹状星云
姑且以其中最出名的蟹状星云开场。这个椭圆形的星云应该算是最有名的超新星遗迹之一,对于高能天文学来说,它在名气之外又有着至关重要的作用:流量定标源。星云的成因几乎是众所周知的——1054年的天关客星,远东、中东以及北美洲对此都留下了相关的历史记录。爆发的遗迹则是1731年由John Bevis第一个记录在案,1758年成了梅西耶深空表的第一个天体,后来英国的罗斯伯爵根据外形为它取了“蟹状星云”这个俗名。20世纪初,人们才根据膨胀速度和位置确认,星云确实是天关客星的残余。
美国Chaco峡谷中的阿那萨齐岩画,据信表现的正是天关客星(下)和哈雷彗星(上)。(摄影:Ron Lussier)
蟹状星云与高能观测的渊源很深。在X射线天文学之父Riccardo Giacconi于20世纪60年代提交的探空火箭研究提案中,它就已经是预期的观测对象了。不久之后,蟹状星云作为X射线强源的猜想得到了证实,并且性质也被确认为展源。星云的高能辐射延伸到了TeV的量级,更是高能天空中最为明亮的稳定天体之一。对于定标工作来说,其在2至10千电子伏特能段上的定标流量相当于每平方厘米每秒2.4×10-8尔格,对应幂律谱指数是-1.1。由于星云格外明亮,更常用的是“毫蟹状星云”也就是上述流量的千分之一这个单位。
蟹状星云的全波段辐射谱,可见呈多幂律的形式。(图片来源:Bednarek & Bartosik 2003)
光学波段的外型更为人熟知:弥漫蓝色背景之上的纤维状结构。这是前身星大气的残余物,主要成分包括碳、氧、氮、氖、硫、铁等元素,温度在11000到18000开尔文之间。比较特别的一点是,星云东西方向有一条富氦带,虽然其质量只占所有光学辐射区的四分之一,氦元素却占了总量的95%,其成因尚无很好的解释。
星云中央是直径约25千米的脉冲星,星云的大部分能量就是由它的外流电子通过同步辐射提供的,比如光学图象中的蓝色部分。星体自转周期33毫秒,也是少有的全波段脉冲星。蟹状星云的X射线图象中央复杂的激波结构就是脉冲星星风冲入星云介质的结果。在天文史上,它的意义还在于作为第一颗(1968年)被证认与超新星遗迹成协的脉冲星,为超新星爆发与脉冲星的联系提供了确切的线索。
不同波段的蟹状星云影象。(图片提供:High Energy Focusing Telescope, NASA’s Scientific Ballooning Program)
天蝎X-1与天鹅X-1
高能天体物理的一类主要研究对象是X射线双星,天蝎X-1与天鹅X-1算是其中的两个典型代表。其中而天蝎X-1是第一个被观测到的太阳系外高能辐射源,同时也是太阳以外的第一强源;而天鹅X-1的发现紧随其后。
先说天蝎X-1。这个距离地球9000光年的天体正是由前面提到的Giacconi及其团队发现。Giacconi的本意是测量来自月球的X射线,却在无意间接收到了来自深空的X射线信号。由于20世纪60年代仪器的粗糙性,起初人们并不能确定信号源的真实方位,一度将这一信号归结为银河系中心的辐射。后来利用准直调制方法进行的观测才确定,辐射来自天蝎座。由于这是在天蝎座发现的第一个X射线源,其被命名为天蝎X-1。
天蝎X-1的VLBI影象,可见辐射区的周期性变化。本图坐标轴上的数字单位为十亿英里,数据于1999年6月间采集。(图片提供:E.B. Fomalont, B.J. Geldzahler and C.F. Bradshaw, NRAO/ AUI/NSF)
天蝎X-1的光学对应体是亮度在12至13等之间变化的恒星天蝎V818。这实际上是一个双星系统,由一颗普通恒星与一颗中子星组成。Iosif Shklovsky第一个提出它的能量来源是中子星的吸积。现在此类天体被称为X射线双星,组成都是致密天体+吸积盘+普通恒星。由于天蝎X-1的普通恒星质量只是太阳的0.42倍,故属于小质量X射线双星之列。其中子星的质量则是太阳的1.4倍。由于输质伴星定期遮挡,地球上观测到的天蝎X-1存在周期18.9小时的光变。
作为对比,天鹅X-1是一对大质量X射线双星,输质星是蓝超巨星HDE 226868,其强大的星风为致密天体持续提供着吸积物质的来源。这颗恒星位于天鹅OB3星协中,距离致密天体0.2天文单位,由此就可以知道致密天体的距离(约7000光年)、前身星的质量(40倍太阳质量)以及年龄(500万年)。
钱德拉X射线天文台拍摄的天鹅X-1。(图片提供:NASA/CXC)
对HDE 226868的光学观测显示有5.6天的周期性摆动存在,根据摆动周期和幅度计算出的质量大约在太阳的10倍左右。然而质量如此大的星体居然完全不可见,再加上两星之间相对近的距离基本排除了常规致密天体存在的可能性,这使得天鹅X-1成了最早的一批黑洞候选对象之一。后来的观测甚至还确实找到了视界存在的证据:频率依次减小的光脉冲,对应进入视界前辐射被红移的物质。实际上天鹅X-1最出名的一点大概就要算霍金和Kip Thorne有关黑洞的赌局了。虽说两人都赞同黑洞的存在,不过很大程度上出于找乐子的目的,霍金打赌说其中并没有黑洞存在,并且在1990年认输。至今这张赌状还保存在加州理工学院。
说到这类X射线双星的辐射机理,与蟹状星云的中子星磁场加速电子产生同步辐射不同,这里是吸积产能的。当来自普通恒星的物质落向致密星时,由于角动量的存在,会先在致密星周围形成吸积盘,再到达其表面。期间引力能的释放将物质加热,最终发出X射线辐射。在观测上,小质量X射线双星的大部分辐射都集中在X射线波段,而光学辐射微乎其微;大质量X射线双星则在两个波段都很明亮。
艺术家笔下的小质量X射线双星。(图片提供:ESA)
当然两个双星系统的演化过程也不尽相同。考虑围绕银河系中心运行的轨道与银晕天体类似,天蝎X-1应该是球状星团内的中子星掠过恒星而产生的,而且其年龄上限并不大,只有几千万年。天鹅X-1是大质量恒星演化的产物,形成时间与整个星协相同。
Geminga与船帆脉冲星
说完了X射线双星,再说说两颗孤立中子星,Geminga与船帆脉冲星。这二者都是最早发现的高能脉冲星,也属于伽玛射线的天空中最为明亮的目标之列。
其中与船帆超新星遗迹成协的脉冲星与蟹云脉冲星有些类似,是又一颗全波段脉冲星,从射电到伽玛射线皆有辐射,有着与后者类似的脉冲星风星云,而且是中子星和超新星遗迹相关的最早一批证据之一。更为特别的是伽玛射线天空的第二亮源Geminga。Geminga是性质未定的伽玛射线点源最终被确定为中子星的一个例子:在20世纪70年代初被SAS-2以及COS-B卫星发现后的将近20年里,除了SAS-2小组的猜测,人们没有任何有关其本质的线索,其名称也只是被简单定为双子伽玛射线源(Gemini gamma-ray source)。直到1991年伦琴X射线卫星在它的软X射线辐射中探测到了周期性之后,它才初步被确定为中子星。
费米伽玛射线空间望远镜的LAT给出的全天图,可见Geminga与船帆脉冲星是其中最亮的辐射源之一。(图片提供:NASA/DOE/International LAT Team)
这颗脉冲星有点古怪:射电宁静。个中原因可能并不复杂,只是射电波束没有扫过地球而已。它的光学对应天体倒是被探测到了,是颗暗淡的蓝色星体。20世纪70年代和90年代对Geminga所作的时间测量还暗示了周边行星存在的可能性,不过此说尚无定论。
本域泡示意图。
Geminga的前身星大约在30万年之前爆发,据信此次事件与银河系猎户臂内的星际介质稀疏区——本域泡(Local Bubble)有关。超新星爆发的激波扫开了原有的物质,形成了中性氢的密度只及银河系平均值十分之一的空穴。
在费米望远镜发射之前,高能脉冲星的总数极少。费米的观测上这个数字翻了好几番,不过与上千颗射电脉冲星相比,高能仍旧是异数。总的来说,这类天体的形成时间都相对较近。随着辐射导致的自转放慢磁场降低,对于孤立中子星来说,能量最高的脉冲最早熄灭。又由于存在诸多仅仅拥有伽玛射线脉冲的星体,这暗示了中子星的结构:伽玛射线辐射区理应宽于射电区。