中子星的神秘风改写太空物理

2024年2月25日，XRISM利用其Resolve仪器观测了中子星GX13+1——这是一颗曾经更大恒星留下的致密残骸。GX13+1在X射线波段极为明亮，其X射线源于超高温物质形成的吸积盘，这些物质螺旋向内并撞击中子星表面。这些向内流动的物质还会引发强大的外流，改变其周围的空间环境。这些外流如何产生仍是未解之谜，这也是研究团队将目标锁定GX13+1的原因。Resolve仪器能够精确测量单个X射线光子的能量，因此科学家们期望能捕捉到前所未有的精细细节。欧空局XRISM项目科学家马泰奥·瓜伊纳齐表示：“当我们首次看到数据中丰富的细节时，我们感觉正在见证一项颠覆性的成果。对我们许多人来说，这实现了我们追寻数十年的梦想。”

宇宙风为何重要
这些风并非只是奇特现象，它们驱动着宇宙中的大规模变化。类似的风也会从星系中心超大质量黑洞所在的系统中吹出。它们可以压缩巨分子云以触发恒星诞生，也可以加热并吹散这些云团以阻止恒星形成。天文学家将这种“推挽”效应称为“反馈”，在极端情况下，中心黑洞产生的风甚至能调控其整个宿主星系的演化。由于超大质量黑洞周围的过程可能与GX13+1附近的过程相似，研究团队选择了这个中子星系统作为更近、更亮的目标，希望能更清晰地揭示其背后的物理机制。

恰逢爱丁顿极限的爆发
在计划观测前不久，GX13+1意外变亮，达到甚至超过了爱丁顿极限。爱丁顿极限描述了物质坠入黑洞或中子星等致密天体时的现象：坠入的物质越多，释放的能量就越多。随着能量输出增加，辐射会对吸入的物质产生压力并将其向外推。在爱丁顿极限下，产生的高能光可以将几乎所有坠入的物质以风的形式推回太空。Resolve仪器记录下了GX13+1这一剧烈阶段的过程。英国杜伦大学的首席研究员克里斯·多恩表示：“即便我们刻意安排，也不可能遇到这样的情况。该系统的辐射输出从约最大输出的一半飙升至更剧烈的水平，产生了比我们以往见过的任何时候都更浓密的风。”

缓慢浓密的风超乎预期
尽管爆发极为剧烈，但这股风的速度仍维持在约100万千米/小时。在地球上这已算极快，但与超大质量黑洞爱丁顿极限附近的风相比却很慢——那里的外流速度可达光速的20%至30%，即超过2亿千米/小时。克里斯说：“这股风如此‘慢’，同时又如此浓密，这仍让我感到惊讶。这就像透过一团向我们飘来的浓雾看太阳——雾越浓，一切就越暗淡。”

中子星风与黑洞风的对比
这并非唯一的差异。XRISM早些时候对处于爱丁顿极限的超大质量黑洞的观测显示，其风是超快且成团块状的。相比之下，GX13+1的外流则显得缓慢且平滑。克里斯问道：“这些风截然不同，但它们来自爱丁顿极限水平相近的系统。因此，如果这些风真的仅由辐射压力驱动，为何会存在差异？”

吸积盘温度是关键
研究团队认为，答案可能在于中心天体周围吸积盘的温度。与直觉相反，超大质量黑洞周围的吸积盘往往比中子星或黑洞等恒星级系统的吸积盘温度更低。超大质量黑洞周围的吸积盘要大得多。它们可能极为明亮，但其能量分布在广阔的区域，因此其发出的典型辐射峰值在紫外光波段。而恒星级系统则在X射线波段辐射更强。紫外光与物质的相互作用比X射线更易发生。克里斯及其同事提出，这种差异使得紫外辐射能更有效地推动物质，从而产生超大质量黑洞附近观测到的更快的风。

对星系演化的意义
如果这一解释成立，将有助于完善科学家对极端环境中能量和物质交换的理解，也可能阐明这些过程如何影响星系的演化以及更广阔宇宙的演化。欧空局研究员卡米尔·迭斯表示：“XRISM前所未有的分辨率使我们能够更详细地研究这些天体以及更多其他天体，为下一代高分辨率X射线望远镜（如NewAthena）铺平了道路。”

XRISM任务简介
XRISM（发音为“krizz-em”）于2023年9月7日发射。该任务由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）牵头，美国国家航空航天局（NASA）和欧空局（ESA）参与合作。它搭载了两台仪器：Resolve——一种X射线热量计，能够测量单个X射线光子的能量，从而实现前所未有的能量分辨率（即仪器区分X射线“颜色”的能力）；以及Xtend——一台广角X射线CCD相机，用于对周围区域成像。