“慧眼”卫星再次刷新直接测量宇宙最强磁场纪录

中子星是宇宙中具有最强磁场的天体，对其X射线能谱的回旋吸收线的探测是目前直接测量中子星表面磁场的唯一方法。最近，“慧眼”卫星团队在编号为Swift J0243.6+6124的中子星X射线双星发现了能量高达146千电子伏的回旋吸收线，对应超过16亿特斯拉的中子星表面磁场，继2020年直接测量到约10亿特斯拉的宇宙最强磁场之后，再次大幅度刷新了最高能量回旋吸收线和宇宙最强磁场直接测量的世界纪录。

中子星X射线双星系统由中子星与其伴随恒星组成，伴随恒星的气体在中子星的强引力作用下落向中子星，形成了围绕中子星高速转动的气体盘，称为吸积盘。吸积盘上的物质会沿着中子星的磁力线落到中子星表面，发出强烈的X射线辐射，该辐射随着中子星的转动形成周期性的X射线脉冲信号，因此这类天体也被称为“X射线吸积脉冲星”。观测发现，这一类天体在X射线辐射能谱上会出现“凹陷”结构，这是X射线光子被在磁场中回旋运动的电子共振散射吸收造成的，被称为回旋吸收线。回旋吸收线处的能量对应的磁场强度就是中子星表面的磁场强度，这是目前直接测量中子星表面附近磁场强度的唯一方法。

超亮X射线脉冲星是X射线光度具有超常亮度的特殊X射线吸积脉冲星，以前在银河系以外的多个星系里发现，天文学家推测其脉冲星的磁场强度很高，但并没有直接测量证据。“慧眼”卫星对银河系内第一颗超亮X射线脉冲星Swift J0243.6+6124的爆发进行了详尽的宽能段观测，此次在其能谱上以极高的显著性（大约10倍标准偏差）发现了能量高达146千电子伏的回旋吸收线，对应超过16亿特斯拉的中子星表面磁场。这不仅是迄今宇宙天体磁场直接测量的最高纪录，而且也首次在超亮X射线源中直接测量了其中子星的表面磁场。

通常认为，中子星的表面磁场结构复杂，既有延展范围很大的偶极磁场，也有局限于中子星表面附近的多极磁场。以前各种间接方法只能估算延展较远的中子星偶极磁场。本次“慧眼”卫星直接测量到Swift J0243.6+6124的表面磁场强度，比通过间接方法给出的偶极磁场强度高大约一个数量级，说明其对应于中子星表面附近的多极磁场。这是首次从观测上直接证明中子星除两极对称的偶极磁场外，的确具有更加复杂的非对称磁场结构。

该项研究工作主要由中国科学院高能物理研究所与德国图宾根大学合作完成，近日在国际期刊《天体物理杂志通讯》（ApJL）在线发表。中科院高能所博士孔令达、研究员张澍、研究员张双南为论文通讯作者。

“慧眼”卫星是我国第一颗X射线天文卫星，承载高能X射线望远镜、中能X射线望远镜和低能X射线望远镜三种科学载荷和空间环境监测器，观测能区为1-250 keV。与国外的X射线卫星相比，“慧眼”卫星具有覆盖能段宽、在高能X射线能段的有效面积最大、时间分辨率高、探测死时间很小、观测强源没有光子堆积效应等突出优点，打开了观测黑洞、中子星硬X射线快速光变和能谱研究的新窗口。2020年，“慧眼”卫星在编号为GRO J1008-57的中子星中探测到了90千电子伏的回旋吸收线，对应10亿特斯拉的中子星表面磁场，是当时宇宙磁场直接测量的世界纪录。随后，“慧眼”团队还在另外一个中子星（1A 0535+262）的能谱上探测到了约100千电子伏的回旋吸收线。“慧眼”卫星连续三次刷新回旋吸收线能量测量的最高纪录，表现出在探测天体高能X射线能谱方面具有国际领先的独特能力。

“慧眼”卫星最早于1993年由中科院高能所李惕碚、吴枚等人提出，卫星研制得到了国家国防科技工业局民用航天科研经费和中科院空间科学战略性先导科技专项的共同支持，于2017年6月发射升空。中科院高能所负责卫星有效载荷、地面应用系统和科学研究工作，航天科技集团公司五院为卫星总体单位，清华大学为卫星有效载荷和地面应用系统联合承研单位，参加“慧眼”卫星工程的还有中科院国家空间科学中心、北京师范大学等。

论文链接

“慧眼”卫星在146 keV附近观测到银河系内第一个超亮X射线源Swift J0243.6+6124的基频电子回旋吸收线

“慧眼”卫星观测吸积脉冲星艺术图。延展很远的蓝色结构的是偶极磁场，中子星附近的红色结构是多极磁场。能谱拟合中回旋线吸收线会在146 keV处产生吸收结构，拟合残差如图所示，颜色代表光子能量。