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物理學系胡欽評助理教授研究成果發表於國際頂尖雜誌《科學 (Science)》

 

本校物理學系胡欽評助理教授參與的國際研究團隊,其突破性的研究成果於今年 (2021) 四月,發表於國際頂尖雜誌《科學 (Science)》,胡欽評助理教授為該論文的共同第一作者與通訊作者。研究團隊觀測到蟹狀星雲脈衝星產生巨型電波脈衝 (Giant Radio Pulse) 時,其 X 射線有增亮的現象 (如圖一)。團隊的核心成員包括日本理化研究所的榎戸輝揚研究員,東京大學的寺澤敏夫教授,廣島大學的木坂将大助理教授,以及美國航空與太空總署 (NASA) 的 Keith C. Gendreau 以及 Zaven Arzoumanian 研究員等。

圖一:蟹狀星雲脈衝星的巨型電波脈衝與X射線增亮的可能原理,以及本團隊觀測方法的示意圖 (圖片來源:HiggsTan)

▲圖一:蟹狀星雲脈衝星的巨型電波脈衝與X射線增亮的可能原理,以及本團隊觀測方法的示意圖 (圖片來源:HiggsTan)

 

大質量恆星以超新星爆炸終結一生。蟹狀星雲 (圖二) 是1054年超新星爆炸的殘骸。該超新星為宋史記載的「天關客星」,也記載於日本的藤原定家「明月記」,以及數個中東的歷史記錄中。星雲中心的中子星稱為「蟹狀星雲脈衝星」。由於高速的自轉,蟹狀星雲脈衝星在無線電波、可見光、X射線和伽瑪射線都能偵測到周期性的脈衝訊號。人們相信輻射是由脈衝星的磁球層所發出。然而,在無線電波段,不時會產生「巨型電波脈衝」的現象,此時無線電波的亮度會急劇增亮數百倍以上。這無法以尋常的輻射機制解釋,且暗示蟹狀星雲脈衝星可能存在著相當極端的環境。

圖二:蟹狀星雲的多波段合成影像。藍色是X射線 (錢德拉太空望遠鏡),紅色是可見光 (哈伯太空望遠鏡),紫色是紅外線 (史匹哲太空望遠鏡)。X射線影像的明亮中心點是蟹狀星雲脈衝星。影像版權:X 射線: NASA/CXC/SAO/F.Seward; 可見光: NASA/ESA/ASU/J.Hester & A.Loll; 紅外線: NASA/JPL-Caltech/Univ. Minn./R.Gehrz

▲圖二:蟹狀星雲的多波段合成影像。藍色是X射線 (錢德拉太空望遠鏡),紅色是可見光 (哈伯太空望遠鏡),紫色是紅外線 (史匹哲太空望遠鏡)。X射線影像的明亮中心點是蟹狀星雲脈衝星。影像版權:X 射線: NASA/CXC/SAO/F.Seward; 可見光: NASA/ESA/ASU/J.Hester & A.Loll; 紅外線: NASA/JPL-Caltech/Univ. Minn./R.Gehrz

 

由於高速相機的進步,Shearer的團隊於2003年發現當巨型電波脈衝發生時,可見光的脈衝也微幅增亮約數個百分點。由於輻射機制仍然未知,人們對在X射線和伽馬射線中是否可以找到類似的現象極感興趣。在過去的20年間,數個研究團隊進行了大規模的觀測,卻未能看到類似的現象。

自2017年,本團隊利用國際太空站上的NICER X射線望遠鏡,與日本的臼田 (Usuda) 和鹿島 (Kashima) 電波望遠鏡,針對蟹狀星雲脈衝星進行同步觀測。結果發現產生巨型電波脈衝時,X射線脈衝也變亮了約4% (如圖三)。由於無線電波和X射線的產生機制完全不同,因此X射線脈衝的增亮是令人驚訝的結果。該結果提供了脈衝星輻射機制的重要線索。由於 X 射線的能量遠高於無線電波,僅管只增亮了4%,卻表示產生巨型電波脈衝時發出的能量比預期的大數百倍,這有待未來的理論模型進行更進一步的解釋 (如圖一)。此結果也幫助人們對脈衝星的磁球層內高能粒子的生成提供新的見解。

圖三:黑線是沒有發生巨型電波脈衝時的X射線脈衝波形,紅線是發生巨型電波脈衝時的波形,可看到有明顯的增亮的現象。藍線是巨型電波脈衝發生的相位分佈。

▲圖三:黑線是沒有發生巨型電波脈衝時的X射線脈衝波形,紅線是發生巨型電波脈衝時的波形,可看到有明顯的增亮的現象。藍線是巨型電波脈衝發生的相位分佈。

 

這項研究的結果也為遙遠宇宙中發生的神秘高速電波爆發 (Fast Radio Burst) 的起源提供了重要的頭緒。高速電波爆發是近年發現的未知天文現象。由於觀測性質相似,巨型電波脈衝是解釋高速電波爆發的可能現象之一。然而,這項研究中發現X射線的能量比以前認為的要大,因此很難用巨型電波脈衝的模型簡單地解釋高速電波爆發。另一方面,磁星 (磁場最強的一種中子星) 的爆發已被確認為高速電波爆發最有可能的原因之一。這項研究為將來利用無線電波和X射線的多波段觀測來檢驗年輕磁星產生的巨型電波脈衝提供了重要的參考。

※論文資料 Enoto, T.*, Terasawa, T.*, Kisaka, S.*, Hu, C.-P.*, Guillot S. et al. “Discovery of X-ray Enhancement Coinciding with Giant Radio Pulses from the Crab Pulsar,” 2021, Science Vol 372, Issue 6538, pp.187-190 (論文資料連結請點選:https://science.sciencemag.org/content/372/6538/187)

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