XRISM 对流入中子星的气体进行“CT扫描”

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主译：遠山真理

校对：甘林

审核：牧夫天文校对组

美编：余家劲

后台：王启儒

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在宇宙中，存在一些质量非常巨大、却集中在极小区域内的高密度天体，这类天体被称为致密天体。黑洞和中子星就是其中的典型代表。这类天体常常会与另一颗恒星在彼此引力的作用下相互绕转，形成双星系统（图1）。在这样的双星系统中，由于致密天体具有强大的引力，它会从另一颗恒星（伴星）吸引物质，使这些物质不断流向致密天体。这些物质会在中心天体周围形成一个吸积盘。在物质向内坠落的过程中，其损失的引力势能会以辐射的形式释放出来，因此整个系统可以被观测为明亮的X射线源。然而，由于这种物质流发生在距离我们非常遥远的地方，通常无法像拍摄普通“照片”那样，直接用望远镜把它清晰地拍摄下来。

图1： 致密双星系统的示意图。一颗恒星上的物质向致密天体转移，在致密天体周围形成吸积盘，并存在高温物质。（来源：鲛岛直人使用 BinSim 制作）

另一方面，在双星系统中，不仅天体本身会受到引力作用，其周围的物质也会在引力影响下进行轨道运动。因此，随着物质运动状态的不同，它所发出的光的能量也会发生细微变化，这就是多普勒频移（Doppler shift）。

通过在一个完整的双星轨道周期内追踪这种变化，我们就能够判断：来自哪个方向、以多快速度运动的物质所产生的辐射最强。换句话说，我们可以由此揭示这些物质的“速度分布”。从不同方向观察双星系统内部流动的物质，这一点其实与医学中的CT扫描非常相似：CT通过从多个方向探测人体来重建内部的断层图像，而这里则是通过不同轨道相位下的观测来重建物质在速度空间中的分布。这种方法被称为多普勒层析成像（Doppler tomography）（图2左）。

过去，多普勒层析成像技术主要是在可见光波段发展和建立起来的。而在X射线波段，要同时获得足够高的能量分辨率——也就是精细区分不同X射线能量的能力——以及足够多的光子数量，一直十分困难。因此，很长时间以来，人们都未能真正实现X射线波段的多普勒层析成像。事实上，20多年前的一篇论文中就曾写道：“利用X射线铁发射线进行多普勒层析成像……或许能够借助新一代X射线观测卫星成为可能。”（Harlaftis et al. 2001）

而这一次，借助 XRISM，这一长久以来的梦想终于成为了现实。XRISM 卫星搭载的X射线光谱仪是一台极为精密的仪器，能够分辨出约为光速十万分之三的速度差异，从而使在X射线波段应用多普勒层析成像成为可能。

研究人员利用 XRISM 对位于南冕座（Corona Australis）、名为 4U 1822−371 的中子星双星系统进行了观测。结果发现，随着双星系统的轨道运动，铁荧光发射线的中心能量会发生周期性变化（图2右）。

根据这些数据，研究人员利用多普勒层析成像的方法，对物质的速度分布进行了“成像”。结果表明，铁元素产生的荧光X射线并不是来自一个对称的吸积盘，也不是来自恒星表面，而是来自这样一个区域：从伴星流出的物质与致密天体周围的吸积盘发生碰撞，并进一步扩散至吸积盘上方（图3）。

这是人类首次利用X射线对致密天体周围的物质流动进行“成像”，并直接确定其辐射产生位置的成果。

此前，可见光波段的多普勒层析成像主要用于揭示那些能够发出可见光、温度相对较低的物质流动。相比之下，X射线多普勒层析成像能够将致密天体附近那些受到强烈X射线照射、并因此产生辐射的物质清晰地呈现出来。

这一方法有望成为研究致密天体周围物质流动的一种全新手段，使我们能够描绘这些物质的运动，并进一步揭示物质最终如何向中心天体坠落的具体结构。

图2： （左）多普勒层析成像的概念示意图。由于双星系统围绕其共同质心公转，观测者能够像医学中的CT扫描一样，从不同角度“观察”该系统，并测量由于物质运动速度不同而产生的光子能量偏移，即多普勒频移。（右）XRISM观测得到的、不同双星轨道相位（Phase）下的铁荧光发射线光谱。可以看到，随着观察双星系统方向的变化，发射线的中心能量也随之发生变化，这正是多普勒频移的表现。（来源：鲛岛直人根据 Sameshima et al. 2026 制作）

图3： 首次利用X射线多普勒层析成像获得的铁荧光发射线速度图。需要注意的是，图中的横轴和纵轴表示的都是速度，因此这并不是通常意义上的空间位置图，而是一幅速度空间图。（来源：鲛岛直人根据 Sameshima et al. 2026 制作）

※1　发射线

原子或离子在特定波长处发出的明亮辐射。通过研究这些发射线，可以了解天体周围物质的物理状态。

※2　铁荧光发射线

当铁原子内层的电子被X射线等高能辐射击出后，外层电子会跃迁到内层的空缺能级，并在这一过程中释放出X射线发射线。这类发射线常被用来研究中子星和黑洞周围的物质。

※3　多普勒频移

当发光的天体或产生发射线的物质相对于观测者接近或远离时，我们观测到的光的波长（或能量）会发生偏移，这种现象称为多普勒频移。其原理与救护车警笛的声音类似：救护车靠近时听起来音调更高，远离时则更低。

责任编辑：甘林

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Artwork: NASA, ESA, Elizabeth Wheatley (STScI); Science: Andrea Dupree (CfA)

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