宇宙中最强磁场的新纪录：超过16亿特斯拉

中子星产生宇宙中最强的磁场。然而，科学家们直接测量其表面磁场的唯一方法是观察其X射线能谱中的回旋吸收线。最近，“慧眼”卫星（Insight-HXMT）团队在中子星X射线双星Swift J0243.6+6124中发现了能量高达146千电子伏的回旋吸收线，这意味着其表面磁场超过16亿特斯拉。

在2020年直接测量出宇宙中最强的磁场约为10亿特斯拉之后，最高能量回旋吸收线和直接测量宇宙中最强磁场的世界纪录已经被大幅度刷新。

该研究结果于2022年6月28日发表在《天体物理杂志通讯》（ApJL）上，由中科院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室和德国图宾根大学开普勒天体和粒子物理中心天文学和天体物理学研究所（IAAT）联合获得。来自中科院高能所的孔令达博士、张澍教授和张双南教授是该论文的通讯作者。来自图宾根大学的Victor Doroshenko博士和Andrea Santangelo教授对这一发现做出了重要贡献。

一个中子星X射线双星系统由一颗中子星和它的伴星组成。在中子星的强大引力作用下，伴星的气体向中子星落下，形成一个吸积盘。吸积盘中的等离子体将沿着磁力线落到中子星的表面，在那里释放出强大的X射线辐射。伴随着中子星的旋转，这种辐射会产生周期性的X射线脉冲信号，因此这些天体被称为“X射线吸积脉冲星”。

许多观测发现，这类天体的X射线辐射能谱中有“凹陷”结构，即回旋吸收线，这是X射线光子被在磁场中回旋运动的电子共振散射吸收造成的。回旋吸收线的能量与中子星表面磁场的强度相对应；因此，这一现象可以用来直接测量中子星表面附近的磁场强度。

超亮X射线脉冲星是一类天体，其X射线亮度远远超过了典型的X射线吸积脉冲星的亮度。它们之前已经在远离银河系的几个星系中被发现。天文学家们推测它们的脉冲星具有很高的磁场强度，尽管仍然缺乏直接的测量证据。

“慧眼”卫星对银河系第一颗超亮X射线脉冲星Swift J0243.6+6124的爆发进行了详细的宽能段观测，并明确地发现了其回旋吸收线。这揭示了高达146千电子伏的能量（大约10倍标准偏差），它对应于一个超过16亿特斯拉的表面磁场。这不仅是迄今为止在宇宙中直接测量到的最强磁场，而且也是第一次在超亮X射线源中探测到电子回旋加速器吸收线，从而为中子星的表面磁场提供了直接测量。

人们认为，中子星的表面磁场具有复杂的结构，从离中子星很远的偶极磁场到只影响靠近中子星区域的多极磁场。然而，早期对中子星磁场的间接估计大多只探测了偶极磁场。

这一次，“慧眼”卫星基于回旋吸收线的直接磁场测量结果比用间接手段估计的磁场大了约一个数量级。这成为第一个具体的证据，证明中子星的磁场结构比传统的对称偶极子场更复杂，它还提供了中子星磁场的非对称成分的首次测量。

“慧眼”卫星是中国第一颗X射线天文卫星。它包括科学有效载荷，包括高能望远镜、中能望远镜、低能望远镜和空间环境监测器。与其他X射线卫星相比，“慧眼”卫星具有覆盖能段宽（1-250KeV）、在高能X射线能段的有效面积最大、时间分辨率高、探测死时间很小、观测强源没有光子堆积效应等优势，从而为观测黑洞、具有硬X射线快速转变的中子星和能谱研究开辟了新的窗口。

2020年，“慧眼”卫星团队报告了从X射线双星系统GRO J1008-57的中子星中探测到一条90千电子伏的回旋吸收线，对应于10亿特斯拉的表面磁场，这创造了当时直接测量宇宙最强磁场的世界纪录。后来，“慧眼”卫星从另一颗中子星1A 0535+262中探测到了回旋吸收线的新纪录--其最高能量约为100千电子伏。“慧眼”卫星通过打破其自身发现回旋吸收线的记录，证明了其探索高能X射线能谱方面的特殊能力。

“慧眼”卫星是由中科院高能所的李惕碚教授和吴枚教授于1993年提出，并于2017年6月15日成功发射。它的发展得到了中国国家航天局和中国科学院的支持。中科院高能所负责这项任务的卫星有效载荷、地面段和科学研究。中国空间技术研究院负责卫星系统的工作。清华大学参与了有效载荷和地面部分的开发。中国科学院国家空间科学中心和北京师范大学也参与了这项任务。“慧眼”卫星上探测器的校准工作得到了中国计量科学研究院、意大利费拉拉大学和马克斯-普朗克地外物理研究所的支持。