广西大学研究生，广西大学研究生院
脉冲星风星云是由相对论电子和正电子在激波前沿撞击周围的超新星遗迹或星际介质而形成的。船帆座脉冲星风星云由一颗年轻的脉冲星(B0833-45，年龄11000年)提供能量，位于一个名为船帆座X的扩展结构内，而船帆座X本身就在超新星遗迹内。先前的X射线观测显示了两个突出的弧，被喷流和反喷流平分。射电图显示，在星云的外部区域有60%的高线极化。
2022年12月21日，广西大学物理科学与工程技术学院谢斐课题组在Nature杂志在线发表题为“Vela pulsar wind nebula X-rays are polarized to near the synchrotron limit”的研究论文，该研究报告了对星云内部部分的X射线观测，那里的偏振在前沿可以超过60%，接近同步加速器发射所能产生的理论极限。该研究推断，与超新星遗迹的情况相反，脉冲星风星云中的电子在高度均匀的磁场中被加速，很少或没有湍流。
成像X射线偏振探测器(Imaging X-ray Polarimetry Explorer，IXPE)提供了在其加速点附近的最高能量电子的X射线视图。IXPE是美国宇航局-意大利航天局(ASI)的探测器，具有三个协同对准的X射线望远镜，每个望远镜都有一个基于气体像素探测器的成像光电偏振计探测器单元。IXPE在两个时期观测了船帆座脉冲星风星云(PWN)——(1)2022年4月5日至2022年4月15日和(2)2022年4月21日至2022年4月30日——总曝光为860 k。数据从IXPE科学操作中心处理的公开文件中提取，并使用补充方法中所述的标准工具进行分析。
IXPE具有≤30″半倍直径7的成像能力，能够对PWN进行空间分辨率的偏振测量。在这项研究中，结合来自三个探测器单元的数据，分析了25个独立的30″× 30″正方形区域。脉冲星和致密弧喷结构主要位于中心区域。脉冲星的热分量为kT≈0.13 keV，对该区域IXPE的贡献不到10%。IXPE没有测量脉冲源的极化;这可能会增加或减少星云偏振，但由于低通量(和低预期PD14)，影响应该是小的。黑线表示线极化，线长表示PD高达62.8%。这些线与EVPA呈90°，因此显示了投影磁场的方向，该方向与脉冲星射流轴高度对称。
弯曲对称PA模式表明，在25个测量区域中，PA会有一些变化，并且区域平均PD会下降。这在PWN的侧面和后方最为明显，在钱德拉图像中看到的弧线是高度弯曲的，因此，下面的PA变化很快，产生了大量的去极化。由于极化遵循钱德拉x射线形态，我们预计在弧弯曲程度较低的区域PD略高，误差较小，这使我们能够在更大的区域进行平均。例如，沿对称轴在星云前部的形态选择区域提供了PD = 70.0±3.6%。
值得注意的是，对于覆盖尖锐强度梯度区域的角分辨率极限附近的分析，由于气体像素探测器中光电子轨道的重建而产生的影响可以人为地改变局部偏振值。蒙特卡罗分析表明，这是一个≲5%的效应，PD在北部略有下降，在南部略有增加;我们的最大极化区几乎不受影响。无论如何，船帆座的高PD和对称模式意味着高度有序的磁场遵循PWN的环形结构。
该研究在IXPE上看到的高均匀性和环形磁结构明显延伸到更大的半径，其中4 ‘射电瓣的线极化表明磁场具有类似的对称轴对称。有趣的是，这种磁结构向北压缩(显然是由于PWN与更大的超新星遗迹相互作用)，并具有更大的曲率半径，位于脉冲星的中心。由于中心的X射线明亮环面/喷流区几乎没有射电辐射，射电似乎追踪了脉冲星后面一个更古老、更冷的电子群，并扩展到更大的半径。尽管如此，在5 GHz和1.4 GHz都达到60%的大量射电极化表明IXPE探测到的有序和最小湍流场以更大的半径延伸到这个射电发射区。
Vela PWN在2-8 keV范围内的IXPE强度图，测量的X射线偏振和无线电偏振矢量叠加（图源自Nature）
目前，我们对脉冲星本身的X射线偏振知之甚少。将需要更深入的观测(可能需要更高的空间分辨率)来分离该成分，并与PA = 146.3±2.4°时PD = 8.1±0.6%的光学相位平均偏振进行比较。像蟹状脉冲星一样，船帆座的平均光学PA位于投影的环面轴附近。如果像蟹状脉冲星一样，相位平均X射线PD远低于光学发射，该研究对星云估计的修正将非常小。
研究人员在船帆座PWN中发现了一个显著的高X射线偏振，达到了大约45%的图像和能量平均PD。非热PWN光谱在IXPE能带较亮;船帆座脉冲星本身发射的主要是软热X射线，这些X射线太微弱，偏振也很弱，目前无法探测到。我们的IXPE图像充分地解析了PWN，表明偏振结构是关于投影脉冲星自旋(和固有运动)轴的对称;这种对称性在无线电极化研究中延伸到更大的角度。
整个星云中PA的变化意味着真正的局部极化更大，事实上，研究人员发现某些区域的PD值≥60%。这接近于观测到的X射线光谱同步加速器发射所允许的最大PD，这意味着整个发射区域的磁场是高度均匀的。当发射同步加速器X射线的电子冷却得非常快时，IXPE X射线被发射到加速度区附近。反过来，这反驳了湍流驱动的扩散激波加速，并建议其他过程，如重连接，应该在终止激波中激发PWN粒子。
Vela PWN的图像平均极化作为能量的函数（图源自Nature）
综上所述，IXPE对Vela和其他明亮PWNe的进一步研究应该将X射线偏振图与致密结构的细节联系起来，进一步探索相对论性激波加速的物理学。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05476-5
广西大学研究生(广西大学研究生院)