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。但是有時我們會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研究，因為它們產(chǎn)生的 X 射線信號通常會交織在一起，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）的一個科研團隊，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，因為它會導(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 拉格朗日點上運行——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的極小期就開始追蹤太陽活動引起的 X 射線強度變化。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)首次實現(xiàn)了對太陽風(fēng)重離子成分的變化特點，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的增強，X 射線輻射在地球不同緯度地區(qū)的變化規(guī)律。研究證實了此前人們的發(fā)現(xiàn)：在太陽活動的極小期，太陽極區(qū)產(chǎn)生的 X 射線輻射強度會減弱——這一現(xiàn)象被稱為“極區(qū)空洞（polar hole）”——而隨著太陽活動的增強，該空洞會閉合。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，地球軌道附近存在一個不圍繞太陽運行的 X 射線輻射增強區(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行，來自星際空間的氦原子會像“微風(fēng)”一樣持續(xù)穿越太陽系。數(shù)據(jù)還證實，20 世紀(jì) 70 年代的一個預(yù)言，即所謂“氦離子聚集錐（helium focusing cone）”確實存在。太陽引力使得這些氦原子的運行軌道發(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)建了一個基于時間的三維太陽風(fēng)電荷交換輻射模型，揭示了由太陽風(fēng)“風(fēng)速”變化驅(qū)動的多個螺旋結(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)，會隨著時間的推移，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