在距离地球约200光年的宇宙深处，一颗死亡恒星的核正围绕着一颗更大的恒星跳着一场怪诞的宇宙之舞。这颗死亡恒星是一种白矮星，它强大的磁场将来自较大恒星的物质拉入一个旋转的吸积盘中。这对螺旋状天体被称为"中等极化"系统——当气体从较大恒星落入另一颗恒星时，会产生包括X射线在内的复杂辐射模式。
现在，MIT的天文学家利用太空中的X射线望远镜，首次识别出该系统内部区域的关键特征——这是一个极其活跃的环境，此前大多数望远镜都无法观测到。在一项发表在《天体物理学报》上的开放获取研究中，该团队报告使用NASA的成像X射线偏振探测器(IXPE)观测了名为EX Hydrae的中等极化系统。
意外的发现
团队发现了一个令人惊讶的高X射线偏振度，这描述了X射线波电场的方向，以及来自EX Hydrae的X射线偏振方向异常。通过这些测量，研究人员将X射线追溯到系统内部区域靠近白矮星表面的源头。
更重要的是，他们确定该系统的X射线是由白矮星从其伴星吸入的一柱白热物质发出的。他们估计这根柱子约有2000英里高——大约是白矮星半径的一半，比物理学家对这类系统的预测要高得多。团队还确定，X射线是在从白矮星表面反射后才散射到太空中的——这是物理学家一直怀疑但直到现在才得到确认的效应。
"我们展示了X射线偏振测量可用于详细研究白矮星的吸积几何结构，"该研究的首席作者、MIT Kavli天体物理学与空间研究所博士后Sean Gunderson表示。"这为对其他从未有预测X射线偏振信号的吸积白矮星进行类似测量打开了可能性。"
高能喷泉
所有形式的光，包括X射线，都受到电场和磁场的影响。光以波的形式传播，这些波在与光传播方向垂直的方向上摆动或振荡。外部电场和磁场可以将这些振荡拉向随机方向。但当光与表面相互作用并反弹时，它可以变得偏振，这意味着其振动在一个方向上收紧。因此，偏振光可以成为科学家追踪光源来源并辨别源几何结构细节的一种方式。
IXPE空间天文台是NASA首个旨在研究极端天体物体发出的偏振X射器的任务。该航天器于2021年发射，围绕地球运行并记录这些偏振X射线。自发射以来，它主要聚焦于超新星、黑洞和中子星。
这项新的MIT研究是首次使用IXPE测量来自中等极化系统的偏振X射线——与黑洞和超新星相比，这是一个较小的系统，但已知是X射线强发射源。
"我们开始讨论偏振测量对于了解这些系统中正在发生的事情有多大用处，因为大多数望远镜只能看到一个点，"Marshall说。
中等极化系统的名称来源于中心白矮星磁场的强度。当这个磁场很强时，来自伴星的物质会被直接拉向白矮星的磁极。当磁场非常弱时，恒星物质会围绕矮星形成一个吸积盘，最终将物质直接沉积在矮星表面。
在中等极化的情况下，物理学家预测物质应该以一种复杂的中间模式下落，形成一个也被拉向白矮星磁极的吸积盘。磁场应该将 incoming 物质盘向上抬升，像一个高能喷泉，然后恒星碎片以每秒数百万英里的速度向白矮星的磁极下落，天文学家称之为"吸积帘"。物理学家怀疑，这些下落的物质会遇到之前被抬升但仍向磁极下落的物质，形成一种气体堵塞。这种物质堆积形成一柱碰撞气体，温度达数千万华氏度，应该发射高能X射线。
最内部的图像
通过测量EX Hydrae发出的任何偏振X射线，团队旨在测试物理学家对中等极化系统假设的图像。2025年1月，IXPE对该系统进行了总计约60万秒，相当于约7天的X射线测量。
"从源头发出的每个X射线，你都可以测量其偏振方向，"Marshall解释道。"你收集大量这样的X射线，它们都在不同的角度和方向，你可以取平均得到偏振的优选程度和方向。"
他们的测量结果显示8%的偏振度，这比一些理论模型预测的要高得多。基于此，研究人员能够确认X射线确实来自系统的柱状结构，并且这根柱子约有2000英里高。
"如果你能站在离白矮星磁极较近的地方，你会看到一柱气体延伸2000英里到空中，然后向外展开，"Gunderson说。
团队还测量了EX Hydrae的X射线偏振方向，他们确定这方向与白矮星incoming气体柱垂直。这表明柱子发出的X射线随后从白矮星表面反弹，然后进入太空，最终进入IXPE的望远镜。
"X射线偏振的有用之处在于，它为你提供了整个系统内部、最活跃部分的图像，"Ravi说。"当我们通过其他望远镜观察时，我们看不到任何这些细节。"
未来研究方向
团队计划将X射线偏振应用于研究其他吸积白矮星系统，这可以帮助科学家更好地理解更大的宇宙现象。
"当来自伴星的物质过多地落到白矮星上，白矮星无法再容纳时，整个系统会坍缩，产生一种在整个宇宙中可见的超新星，可用于确定宇宙的大小，"Marshall指出。"因此，了解这些白矮星系统有助于科学家理解这些超新星的来源，并告诉你星系的生态。"
这项研究部分得到了NASA的支持。
技术突破的意义
这项研究代表了X射线偏振天文学的重要突破。IXPE作为NASA首个专门研究偏振X射线的任务，为科学家提供了前所未有的观测能力。通过测量X射线的偏振特性，研究人员能够揭示传统观测方法无法获取的系统内部结构信息。
在中等极化系统中，白矮星的磁场强度介于极强和极弱之间，导致物质下落模式复杂。这种复杂性使得传统观测难以解析内部结构，而X射线偏振测量提供了一种直接探测这些区域的方法。
科学价值与应用前景
这项研究的科学价值不仅限于理解中等极化系统本身。白矮星吸积过程是理解Ia型超新星形成的关键，这类超新星作为"标准烛光"，在宇宙距离测量中扮演着重要角色。因此，对白矮星吸积过程的深入理解将有助于改进宇宙学模型，更准确地测量宇宙膨胀速率。
此外，这项研究开发的方法可以应用于其他吸积天体系统，包括黑洞、中子星等。X射线偏振测量可能成为研究极端引力环境下物质行为的重要工具，为理解高能天体物理过程提供新视角。
技术挑战与未来展望
尽管取得了重要突破，但X射线偏振测量仍面临技术挑战。IXPE的灵敏度有限，只能测量较强的偏振信号。对于偏振度较低的系统，可能需要更先进的观测设备或更长的观测时间。
未来，科学家计划开发更灵敏的X射线偏振探测器，并结合多波段观测，以获取更全面的天体系统信息。同时，数值模拟与观测数据的结合将进一步深化对物理过程的理解，推动天体物理学理论的发展。
结语
MIT团队的这一研究展示了X射线偏振测量在探索极端恒星环境方面的巨大潜力。通过IXPE对EX Hydrae系统的观测，科学家首次揭示了中等极化系统内部的高能物质柱结构，验证了长期以来的理论预测，并为未来研究开辟了新途径。这一成果不仅丰富了我们对白矮星系统的认识，也为理解更广泛的宇宙现象提供了重要线索。
