深入白矮星系統(tǒng)的最內(nèi)部區(qū)域

距離地球大約200光年的地方，一顆“死去恒星”的核心，正圍繞一顆更大的恒星，跳著詭異的宇宙“舞蹈”。

事實(shí)上，這顆已經(jīng)死亡的恒星是一顆白矮星，它正從一顆晚型主序星伴星那里吸積物質(zhì)。這個(gè)雙星系統(tǒng)名為EX Hydrae，是一種“中介偏振系統(tǒng)”，會(huì)釋放出包括X射線在內(nèi)的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的強(qiáng)烈輻射。

在一項(xiàng)新發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》的研究中，一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用一臺在太空中的X射線望遠(yuǎn)鏡——成像X射線偏振探測器（IXPE）對EX Hydrae進(jìn)行了觀測，探索了該系統(tǒng)最內(nèi)部的區(qū)域——這是此前大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡都無法企及的高能區(qū)域。

高能“噴泉”

“中介偏振”這一名稱的由來，源自于這類系統(tǒng)的中心白矮星的磁場強(qiáng)度：當(dāng)磁場非常強(qiáng)時(shí)，來自伴星的物質(zhì)會(huì)被直接拉向白矮星的磁極；當(dāng)磁場非常弱時(shí)，這些恒星物質(zhì)則會(huì)在白矮星周圍形成吸積盤，以旋轉(zhuǎn)方式環(huán)繞，最終直接沉積到白矮星表面。根據(jù)物理學(xué)家的預(yù)測，在中介偏振的情況下，物質(zhì)的下落方式會(huì)呈現(xiàn)一種復(fù)雜的“中間模式”——既會(huì)形成吸積盤，又會(huì)同時(shí)被拉向白矮星的磁極。

在恒星物質(zhì)朝著白矮星磁極墜落之前，磁場會(huì)先把盤中的入射物質(zhì)高高“抬起”，像一座高能噴泉一樣，然后這些物質(zhì)以“吸積帷幕”的形式向墜向磁極。理論認(rèn)為，下落的物質(zhì)會(huì)與先前被抬升、仍在向磁極墜落的物質(zhì)相遇，形成局部的氣體堆積。這種堆積的物質(zhì)會(huì)形成一根相互碰撞的高溫吸積柱，并應(yīng)當(dāng)發(fā)射出高能的X射線。

最內(nèi)部的景象

在大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡的視野里，中介偏振系統(tǒng)不過就是一個(gè)小點(diǎn)。這讓研究人員不禁思考，究竟需要多大的偏振信號，才能幫看清這類系統(tǒng)的最內(nèi)部到底在發(fā)生什么。

IXPE是一個(gè)于2021年發(fā)射的、專門用于研究極端天體發(fā)射的偏振X射線的航天器。它繞地球運(yùn)行，記錄著來自宇宙的偏振X射線。自發(fā)射以來，它主要觀測超新星、黑洞和中子星等天體。與黑洞和超新星相比，中介偏振系統(tǒng)的規(guī)模更小，但這不妨礙它們是強(qiáng)烈的X射線源。

因此，在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次利用IXPE，來測量了EX Hydrae的X射線偏振。

2025年1月，IXPE對EX Hydrae進(jìn)行了累計(jì)約60萬秒（約7天）的X射線測量。測量結(jié)果顯示，偏振度約為8%，遠(yuǎn)高于一些理論模型先前預(yù)測的數(shù)值。尤為重要的是，他們確定了這些X射線來自那根“吸積柱”——那是白矮星從伴星吸積高溫物質(zhì)時(shí)所形成的柱狀結(jié)構(gòu)。他們估算，這個(gè)柱狀物的高度大約相當(dāng)于白矮星自身半徑的一半，遠(yuǎn)高于物理學(xué)家此前對這類系統(tǒng)的預(yù)測。

與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還測量了EX Hydrae的X射線偏振方向，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它與那根流向白矮星的吸積柱幾乎是垂直的。這表明：吸積柱發(fā)出的X射線在進(jìn)入太空、最終被IXPE觀測到之前，會(huì)先在白矮星表面發(fā)生反射——這種效應(yīng)早被物理學(xué)家懷疑存在，但直到現(xiàn)在才首次得到證實(shí)。

天文學(xué)研究的新窗口

這樣的研究結(jié)果表明，X射線偏振測量是一種研究極端恒星環(huán)境的有效方法，例如，它可被用來對白矮星的吸積幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的觀測。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃，未來要把X射線偏振方法應(yīng)用到其他吸積白矮星系統(tǒng)的研究中，以此來幫助科學(xué)家理解更大尺度的宇宙現(xiàn)象。

這為天文學(xué)研究打開了一扇新的窗口，使得天文學(xué)家有機(jī)會(huì)對其他類型的吸積白矮星進(jìn)行類似的測量——而這些天體此前甚至都沒有被預(yù)言會(huì)產(chǎn)生X射線偏振信號。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/first-look-innermost-region-white-dwarf-system-1120

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae11b5

#圖片來源：

封面圖&首圖：Jose-Luis Olivares, MIT