通過利用NASA的成像X射線偏振探測儀(IXPE)，天文學家們首次測量並繪製了來自一顆爆炸恆星殘骸的偏振X射線。這些發現來自於對仙后座A的觀測。仙后座A是一顆著名的恆星殘骸。這些結果為年輕的超新星殘骸的性質提供了新的啟示，據悉，這些殘骸將粒子加速到接近光的傳播速度。
IXPE於2021年12月9日發射，由NASA和意大利航天局合作，是第一個能以這種敏感度和清晰度測量X射線光偏振的衛星。它旨在發現宇宙中一些最極端天體的秘密–超新星爆炸的殘餘物、由進食黑洞吐出的強大粒子流等。
所有形式的光–從無線電波到伽馬射線–都可以被偏振。跟我們用來減少陽光從潮濕的道路或擋風玻璃上反彈的眩光的偏光太陽鏡不同，IXPE的探測器繪製了進入的X射線光的軌跡。科學家們可以利用這些單獨的軌跡記錄來計算出偏振，這就說明了X射線所經歷的故事。
仙后座A（簡稱Cas A）是IXPE開始收集數據后觀察到的第一個天體。仙后座A被選中的原因之一是它的衝擊波–就像噴射器產生的音爆–是銀河系中最快的一些。衝擊波是由超新星爆炸產生，超新星爆炸摧毀了一顆巨大的恆星后，它坍塌了。爆炸產生的光線在三百多年前掠過地球。
哈佛大學和史密森學會天體物理學中心的Pat Slane說道：“如果沒有IXPE，我們一直在錯過有關Cas A這樣的天體的關鍵信息，他領導着IXPE對超新星遺迹的調查。這個結果讓我們了解到這個爆炸恆星的碎片的一個基本方面–其磁場的行為。”
磁場是不可見的，它對質子和電子等移動的帶電粒子進行推拉。在家裡，它們負責使磁鐵粘在廚房的冰箱上。在極端條件下，如一顆爆炸的恆星，磁場可以將這些粒子提升到接近光速。
儘管它們的速度超快，但被Cas A中的衝擊波捲起的粒子並沒有飛離超新星殘骸，這是因為它們被衝擊波后的磁場所困住。這些粒子被迫繞着磁場線旋轉，電子發出一種強烈的光，稱為“同步輻射”，它是偏振的。
通過研究這種光的偏振，科學家可以在非常小的尺度上“反向設計”Cas A內部發生的事情–這些細節以其他方式很難或不可能觀察到。偏振的角度告訴我們這些磁場的方向。如果靠近衝擊前沿的磁場非常糾結，那麼來自不同磁場方向的區域的混亂的混合輻射將發出較小的偏振量。
以前用射電望遠鏡對Cas A的研究表明，射電同步輻射是在幾乎整個超新星遺迹的區域產生。天文學家發現，只有少量的無線電波被極化–約5%。他們還確定，磁場的方向是徑向的，就像車輪的輻條，從殘餘物的中心附近向邊緣擴散。
另一方面，來自NASA錢德拉X射線天文台的數據顯示，X射線同步輻射主要來自沿衝擊的稀薄區域，靠近殘餘物的圓形外緣，在那裡磁場被預測為與衝擊對齊。錢德拉和IXPE使用不同種類的探測器，具有不同的角度分辨率或清晰度。1999年發射的錢德拉的第一張科學圖像也是Cas A的。
相反，IXPE的數據顯示，X射線中的磁場傾向於在徑向方向上排列，甚至非常接近衝擊前沿。X射線還顯示出比無線電觀測所顯示的偏振量要低，這表明X射線來自於混合了許多不同磁場方向的湍流區。
來自阿姆斯特丹大學的Jacco Vink博士是描述Cas A的IXPE結果的論文的第一作者，他說道：“這些IXPE結果跟我們的預期不同，但作為科學家，我們喜歡驚喜。事實上，較小比例的X射線是偏振的，這是Cas A的一個非常有趣的–而且以前沒有發現的–特性。”
關於Cas A的IXPE結果正在吊起人們的胃口，對目前正在進行的超新星殘餘物的更多觀測。科學家們希望每一個新觀測對象都能揭示新的答案–並提出更多的問題–關於這些為宇宙注入關鍵元素的重要天體。
意大利國家天體物理研究所/羅馬空間天體物理學和行星學研究所的Riccardo Ferrazzoli博士說道：“這項研究體現了IXPE給天體物理學帶來的所有新東西。我們不僅首次獲得了這些來源的X射線偏振特性的信息，而且我們還知道這些偏振特性在超新星的不同區域是如何變化的。作為IXPE觀測活動的第一個目標，Cas A提供了一個天體物理學的‘實驗室’來測試團隊近年來開發的所有技術和分析工具。”
研究論文共同作者、阿姆斯特丹大學的Dmitry Prokhorov表示：“這些結果為將電子加速到令人難以置信的高能量所需的環境提供了一個獨特的視角。我們只是在這個偵探故事的開始，但到目前為止，IXPE的數據正在為我們提供新的線索來進行追蹤。”