天文學(xué)家首次給太陽系拍攝了一張 X 光片，結(jié)果都沉默了

人類首次重建外部視角太陽系軟 X 射線圖像。

根據(jù) eROSITA 探測器 2021 年 5 月至 10 月數(shù)據(jù)重建的 X 射線天空圖像（動(dòng)畫）。K. Dennerl / the eSASS team (MPE) / E. Churazov / M. Gilfanov (IKI)

X 射線的用途不僅是給病人做胸透，它還會(huì)讓宇宙看起來格外壯觀；更加重要的是，X 射線能夠讓我們洞察那些平常無法看到的東西。但是有時(shí)我們會(huì)很難將宇宙的一部分——比如太陽系，從更為廣闊的主體——比如銀河系的 X 射線影像中隔離出來作單獨(dú)研究，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的 X 射線信號通常會(huì)交織在一起，難以分辨。

但最近來自馬克斯?普朗克地外物理研究所（Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics）的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，卻贏得了這一挑戰(zhàn)——他們首次在 X 射線波段上，成功地將太陽系產(chǎn)生的微光，從宇宙的深空背景中分離了出來。

2019 至 2021 年間，由俄羅斯和德國聯(lián)合研制的“光譜-倫琴-伽馬（SRG）”探測器，搭載著“擴(kuò)展倫琴巡天成像望遠(yuǎn)鏡陣列（extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array，eROSITA）”，在 X 射線波段上，獲得了 4 幅全天圖像。研究人員從這 4 幅全天圖像中，首次分離出了太陽風(fēng)電荷交換（SWCX）產(chǎn)生的輻射信號，獲得了迄今為止清晰度最高的太陽系軟 X 射線微光圖像。

所謂軟 X 射線微光，通常是因帶電的太陽風(fēng)離子——比如碳和氧離子——在地球高層大氣和日光層的中性原子身上攫取電子而產(chǎn)生。以前人們認(rèn)為，太陽風(fēng)電荷交換產(chǎn)生的 X 射線微光只是一種干擾信號，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，影響 X 射線天文研究；但新的研究結(jié)果表明，事實(shí)并不完全是這樣。

SRG 探測器在距離地球約 150 萬千米的地日 L2 拉格朗日點(diǎn)上運(yùn)行——這使得它可以避開地球的高層大氣——亦即所謂“地冕（geocorona）”產(chǎn)生的 X 射線干擾。其長期觀測能力還使得研究人員可以從太陽活動(dòng)的極小期就開始追蹤太陽活動(dòng)引起的 X 射線強(qiáng)度變化。通過對比觀測數(shù)據(jù)，研究人員成功地將日光層產(chǎn)生的 X 射線分離了出來，并首次復(fù)現(xiàn)了外部視角的太陽系軟 X 射線圖像。

數(shù)據(jù)首次實(shí)現(xiàn)了對太陽風(fēng)重離子成分的變化特點(diǎn)，及其與星際介質(zhì)相互作用方式的研究；并揭示了隨太陽活動(dòng)的增強(qiáng)，X 射線輻射在地球不同緯度地區(qū)的變化規(guī)律。研究證實(shí)了此前人們的發(fā)現(xiàn)：在太陽活動(dòng)的極小期，太陽極區(qū)產(chǎn)生的 X 射線輻射強(qiáng)度會(huì)減弱——這一現(xiàn)象被稱為“極區(qū)空洞（polar hole）”——而隨著太陽活動(dòng)的增強(qiáng)，該空洞會(huì)閉合。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，地球軌道附近存在一個(gè)不圍繞太陽運(yùn)行的 X 射線輻射增強(qiáng)區(qū)。這是所謂“星際微風(fēng)（interstellar breeze）”導(dǎo)致的結(jié)果。隨著太陽系在銀河中運(yùn)行，來自星際空間的氦原子會(huì)像“微風(fēng)”一樣持續(xù)穿越太陽系。數(shù)據(jù)還證實(shí)，20 世紀(jì) 70 年代的一個(gè)預(yù)言，即所謂“氦離子聚集錐（helium focusing cone）”確實(shí)存在。太陽引力使得這些氦原子的運(yùn)行軌道發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，并在“下風(fēng)口”聚集，形成了一條錐狀的粒子流。

結(jié)合對太陽風(fēng)和星際介質(zhì)分布數(shù)據(jù)，研究人員構(gòu)建了一個(gè)基于時(shí)間的三維太陽風(fēng)電荷交換輻射模型，揭示了由太陽風(fēng)“風(fēng)速”變化驅(qū)動(dòng)的多個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)是該輻射的主要來源。這些主要分布在火星軌道內(nèi)的結(jié)構(gòu)，會(huì)隨著時(shí)間的推移，而呈現(xiàn)出清晰的錐形。

太陽系軟 X 射線前景輻射和西半球銀河 X 射線圖像的分離過程動(dòng)畫示意。右側(cè)為分離出來的外部視角太陽系軟 X 射線圖像。K. Dennerl (MPE)

參考

Determination of the Solar System contribution to the soft X-ray sky

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt9147