星空“魔戒”——星际尘埃的X射线散射效应

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l什么是星空里的“魔戒”？

在专业天文望远镜的视野中，星空中的天体呈现出丰富多彩、形态各异、变幻莫测的特点。其中，偶尔会有一些天体产生爆发，短时间内急剧变亮，释放出巨大的能量。这种爆发可以发生在所有的电磁波段，包括X射线。有趣的是，在一些X射线爆发天体的周围，偶尔可以观测到一些非常美妙的环状结构，宛如一颗小石子投入平静湖面所激起的涟漪。例如，图1展示了一个发生于2022年的剧烈的高能爆发天体GRB A，其周围可以看到明显的多层X射线环。图2则展示了2015年一个黑洞X射线双星V404 Cygni的爆发，其周围也能看到类似的X射线环状结构。此外，图中还显示这些环随着时间在持续膨胀。这种特殊的X射线环宏大、优美、精巧，神秘感满满，令人不觉想起电影《指环王》中的至尊魔戒，因而被一些天文学家戏称为星空“魔戒”（Heinz et al. 2015, Beardmore et al. 2016）。

图1. 高能爆发天体GRB A 的“魔戒”，源自银河系内的尘埃对这个天体产生的X射线的散射。这个动图由Swift卫星12天的观测图像合成，可以明显看到“魔戒”在快速变大。图源：NASA/Swift/A. Beardmore (University of Leicester)

图2. 环绕黑洞X射线双星V404 Cygni的膨胀中的“魔戒”。图源：Credits: Andrew Beardmore (Univ. of Leicester) and NASA/Swift

l“魔戒”的成因

正如图2所展示的，“魔戒”通常伴随着遥远天体的突然爆发而出现。这个天体可能是由一颗致密星（如中子星、黑洞）与一颗恒星互相绕转的双星系统所产生的爆发，由于伴星物质落入致密星而引发；或是由一颗大质量恒星死亡坍缩所产生的爆发；亦或是其它类型的高能爆发天体。总之，这个爆发天体在短时间内发射了大量的X射线光子。

这些X射线光子中，有些沿着图3（左）中的路径1直线穿越了广袤的星际空间到达地球，被人类的X射线太空望远镜观测到，成为X射线图像中心的那个点源。但是，也有一些X射线光子并非直线传播到地球。比如图3（左）中的路径2，这些光子一开始并不朝着地球方向，但在传播过程中被星际尘埃颗粒所散射，从而改变方向到达地球。这些光子到达地球时的角度与路径1的光子不同（图中的θ角），因而在图像里是出现在中心点源的旁边。由于这种散射过程在方位角上是360度对称的，因而散射的光子在图像上形成了一个围绕中心点源的环状结构。

同时，星际空间中的尘埃分布是极其不均匀的，比如分子云区就富集了大量的星际尘埃。因此，从地球到爆发天体中间的尘埃可以大致被认为是一层层地分布的，正如图3（右）所示。这些尘埃粒子如同隐藏在暗处的精灵，散射把玩经过她们身边的X射线光子，按概率将一部分向其它方向传播的光子散射到地球方向。X射线光子可能被任何一个尘埃层散射到地球方向，而同一时刻每一层对应的散射角都不同，因而最后就产生了围绕中心点源的一系列美妙的“散射环”，就是我们看到的“魔戒”。

此外，这个“魔戒”的每一个环都会随时间膨胀变大。实际上，这是一种简单的几何效应。如图3（左）所示，由于X射线光子是以光速传播的，因此路径2的光子到达地球的时间会比路径1更晚，存在一个时间延迟。θ角越大，路径就越长，延迟时间也越长。因此，随着时间的推移，地球上的观测者会不断看到从更大角度抵达的光子，所以看起来就像是“散射环”在不断变大。

当然，对于持续产生X射线的天体，其周围的散射环将被连续的散射“晕”所取代。这一现象在Chandra卫星拍摄的银河系中心X射线图像中得到了展示（Wang et al. 2002）。如图4所示，明亮的X射线源被尘埃散射晕所包裹，这些尘埃分布于银河系中心和银盘上。暗弱的源同样也有自己的散射晕，但由于低于Chandra卫星的探测灵敏度，因此无法在图中显现出来。这种效应类似于日常生活中沙尘或雾霾天气中的灯光，显得朦胧模糊。

图3：（左）显示一个新爆发的天体产生的X射线光子从不同路径抵达地球观测者的过程。路径2的光子经过了一次尘埃散射，并在图像上形成了一个环状结构。（右）显示有多个尘埃层存在的时候，爆发天体周围出现的多层环状结构，即“魔戒”。图源：Heinz et al. 2015

图4. Chandra卫星拍摄的银河系中心方向的X射线图像，可以看到亮源被尘埃散射晕所包裹的景象。图源：NASA/UMass/D.Wang et al.

l“魔戒”的作用

就像电影《指环王》里的魔戒非常珍贵一样，在星空中发现“魔戒”也是一件非常幸运的事，因为“魔戒”里包含了很多重要的信息。也正因为如此，天文学家们通常会通过天文学家电报ATel的方式第一时间宣布他们在宇宙中发现的新“魔戒”。

首先，“魔戒“的出现揭示了星际空间中尘埃颗粒的性质和分布，这些信息难以通过其它观测手段获得。例如，通过分析尘埃散射环和散射晕的大小及形状，可以提取星际尘埃颗粒的大小及其在空间中的分布信息。比如对银河系中心的爆发中子星X射线双星AX J1745.6-2901的尘埃散射晕研究，可以分辨出银心到地球的星际空间中存在至少4层主要的尘埃层（Jin et al. 2017, 2018）。

其次，测量一个爆发天体离地球有多远通常是非常困难的，但这个绝对距离又非常重要。比如只有知道了绝对距离，才能知道这个天体的爆发真正释放了多少能量。如果观测到这个天体被“魔戒”环绕，并且还能够观测到“魔戒”在不断变大的过程，就能够准确测量从不同角度到达地球的光子及其到达的时间延迟也即光程差，从而能够很好地计算爆发天体的绝对距离（Xu et al. 1986）。以目前的X射线观测能力，这种方法对于测量银河系内新出现的高能爆发天体的绝对距离是非常有效的（例如Heinz et al. 2015, Lamer et al. 2021）。

此外，如果爆发天体足够亮，那么通过非常精细的X射线能谱观测，比如精确测量氧、硅、铁等元素的X射线吸收边的精细结构，就能够了解尘埃颗粒的形状、元素构成、丰度和化学成分等性质（例如Lee et al. 2009, Hoffman & Draine 2016, Corrales et al. 2016）。

l未来研究展望

目前，国际上X射线波段的星际尘埃研究相对较少。其中一个主要原因是对X射线爆发天体及其前景尘埃散射的探测能力不足。但是，随着X射线天文学的快速发展，特别是时域天文学和精测天文学的进步，该领域的研究也有望迎来新的发展机遇。

首先，我们对X射线爆发天体的捕捉能力即将迎来一个巨大的提升，这主要得益于我国即将发射的爱因斯坦探针卫星（Einstein Probe，简称EP，见图5）。EP是一颗软X射线波段的时域天文卫星，将于今年底发射，其主要科学目标为发现并监测全天的各类X射线爆发天体（Yuan et al. 2018）。EP拥有国际上最大的软X射线瞬时视场（3600平方度），探测灵敏度和定位精度优于国际同类监视设备1-2个数量级。同时，EP在快速响应和后随观测方面也具备国际一流的能力。因此，EP可以快速发现和定位一批X射线爆发天体，并能够在软X射线波段探测环绕这些源的“魔戒”，持续监测其变化。

其次，观测尘埃散射环需要很高的X射线成像角分辨率和灵敏度。当前国际上适合开展这类观测的设备包括Chandra、XMM-Newton、Swift等X射线天文卫星。其中Chandra卫星的角分辨率达到0.5角秒，显著优于其它设备。国际上提出的Lynx项目将可能成为Chandra的继任者。Lynx在保持类似的高角分辨率的同时，其探测灵敏度会有量级的提升，从而能够探测更多、更遥远、更暗弱的宇宙深处的“魔戒”。这不仅能够帮助我们在X射线波段重建银河系的三维尘埃分布，而且有望对银河系外的，漂浮在星系与星系之间的尘埃进行探测。

最后，在X射线的精测方面，日本的XRISM卫星将于今年9月发射。由于采用了先进的X射线微量能器技术，XRISM将能够以7电子伏的超高能谱分辨率来观测各种天体，分辨其软X射线能谱中的发射和吸收线特征。与此同时，我国科学家也提出了“宇宙热重子探寻计划” -HUBS项目（Cui et al. 2020），有望以更高的能谱分辨率、更好的信噪比和更大的视场开展对大量天体的软X射线能谱精测。因此，未来我们将能够更好地测量星际尘埃的物理化学成分，甚至有望系统性地发展出“凝聚态天体物理”这一新的研究领域（Lee et al. 2009）。

让我们一起憧憬X射线天文的未来，期待有更多深藏在宇宙宝库中的“魔戒”被发现。

图5. 爱因斯坦探针卫星（Einstein Probe）设计图。图源：EP官网https://ep.bao.ac.cn

l参考文献

1)Beardmore A. P., Willingale R., Kuulkers E., Altamirano D., Motta S. E., Osborne J. P., Page K. L., Sivakoff G. R., 2016, MNRAS, 462, 1847

2)Corrales L. R., Garc ́ıa J., Wilms J., Baganoff F., 2016, MNRAS, 458, 1345

3)Cui W., Chen L.-B., Gao B., Guo F.-L., Jin H., Wang G.-L., Wang L., et al., 2020, JLTP, 199, 502

4)Heinz S. et al., 2015, ApJ, 806, 265

5)Hoffman J., Draine B. T., 2016, ApJ, 817, 139

6)Jin C., Ponti G., Haberl F., Smith R., 2017, MNRAS, 468, 2532

7)Jin C., Ponti G., Haberl F., Smith R., Valencic L., 2018, MNRAS, 477, 3480

8) Lamer G., Schwope A. D., Predehl P., Traulsen I., Wilms J., Freyberg M., 2021, A&A, 647, A7

9)Lee J. C., Xiang J., Ravel B., Kortright J., Flanagan K., 2009, ApJ, 702, 970

10)Wang Q. D., Gotthelf E. V., Lang C. C., 2002, Nature, 415, 148

11)Xu Y., McCray R., Kelley R., 1986, Nature, 319, 652

12)Yuan W., Zhang C., Chen Y., Sun S., Zhang Y., Cui W., Ling Z., et al., 2018, SSPMA, 48, 039502

作者简介

金驰川，博士，中国科学院BR计划研究员，国家天文台研究员，国科大岗位教师。目前担任爱因斯坦探针卫星首席科学家助理，科学应用系统副总师，第一科学领域工作组（活动星系核与黑洞潮汐瓦解事件组）负责人。主要致力于超大质量黑洞的吸积与辐射、X射线暂现源、星际尘埃散射等方面的科学研究，并从事于空间项目的设计和研制工作。曾数十次设计并领导XMM-Newton、Chandra、NuSTAR、Swift等国际X射线卫星的科学观测项目。

主编：陆由俊

审查：袁凤芳

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来源：中国科学院国家天文台

编辑：小范