中子星產生宇宙中最強的磁場。然而，科學家們直接測量其表面磁場的唯一方法是觀察其X射線能譜中的迴旋吸收線。最近，“慧眼”衛星（Insight-HXMT）團隊在中子星X射線雙星Swift J0243.6+6124中發現了能量高達146千電子伏的迴旋吸收線，這意味著其表面磁場超過16億特斯拉。

在2020年直接測量出宇宙中最強的磁場約為10億特斯拉之後，最高能量迴旋吸收線和直接測量宇宙中最強磁場的世界紀錄已經被大幅度刷新。

該研究結果於2022年6月28日發表在《天體物理雜誌通訊》（ApJL）上，由中科院高能物理研究所粒子天體物理重點實驗室和德國圖賓根大學開普勒天體和粒子物理中心天文學和天體物理學研究所（IAAT）聯合獲得。來自中科院高能所的孔令達博士、張澍教授和張雙南教授是該論文的通訊作者。來自圖賓根大學的Victor Doroshenko博士和Andrea Santangelo教授對這一發現做出了重要貢獻。

一個中子星X射線雙星系統由一顆中子星和它的伴星組成。在中子星的強大引力作用下，伴星的氣體向中子星落下，形成一個吸積盤。吸積盤中的等離子體將沿著磁力線落到中子星的表面，在那裡釋放出強大的X射線輻射。伴隨著中子星的旋轉，這種輻射會產生週期性的X射線脈衝信號，因此這些天體被稱為“X射線吸積脈衝星”。

許多觀測發現，這類天體的X射線輻射能譜中有“凹陷”結構，即迴旋吸收線，這是X射線光子被在磁場中迴旋運動的電子共振散射吸收造成的。迴旋吸收線的能量與中子星表面磁場的強度相對應；因此，這一現象可以用來直接測量中子星表面附近的磁場強度。

超亮X射線脈衝星是一類天體，其X射線亮度遠遠超過了典型的X射線吸積脈衝星的亮度。它們之前已經在遠離銀河系的幾個星系中被發現。天文學家們推測它們的脈衝星具有很高的磁場強度，儘管仍然缺乏直接的測量證據。

“慧眼”衛星對銀河系第一顆超亮X射線脈衝星Swift J0243.6+6124的爆發進行了詳細的寬能段觀測，並明確地發現了其迴旋吸收線。這揭示了高達146千電子伏的能量（大約10倍標準偏差），它對應於一個超過16億特斯拉的表面磁場。這不僅是迄今為止在宇宙中直接測量到的最強磁場，而且也是第一次在超亮X射線源中探測到電子迴旋加速器吸收線，從而為中子星的表面磁場提供了直接測量。

人們認為，中子星的表面磁場具有復雜的結構，從離中子星很遠的偶極磁場到只影響靠近中子星區域的多極磁場。然而，早期對中子星磁場的間接估計大多只探測了偶極磁場。

這一次，“慧眼”衛星基於迴旋吸收線的直接磁場測量結果比用間接手段估計的磁場大了約一個數量級。這成為第一個具體的證據，證明中子星的磁場結構比傳統的對稱偶極子場更複雜，它還提供了中子星磁場的非對稱成分的首次測量。

“慧眼”衛星是中國第一顆X射線天文衛星。它包括科學有效載荷，包括高能望遠鏡、中能望遠鏡、低能望遠鏡和空間環境監測器。與其他X射線衛星相比，“慧眼”衛星具有覆蓋能段寬（1-250KeV）、在高能X射線能段的有效面積最大、時間分辨率高、探測死時間很小、觀測強源沒有光子堆積效應等優勢，從而為觀測黑洞、具有硬X射線快速轉變的中子星和能譜研究開闢了新的窗口。

2020年，“慧眼”衛星團隊報告了從X射線雙星系統GRO J1008-57的中子星中探測到一條90千電子伏的迴旋吸收線，對應於10億特斯拉的表面磁場，這創造了當時直接測量宇宙最強磁場的世界紀錄。後來，“慧眼”衛星從另一顆中子星1A 0535+262中探測到了迴旋吸收線的新紀錄–其最高能量約為100千電子伏。“慧眼”衛星通過打破其自身發現迴旋吸收線的記錄，證明了其探索高能X射線能譜方面的特殊能力。

“慧眼”衛星是由中科院高能所的李惕碚教授和吳枚教授於1993年提出，並於2017年6月15日成功發射。它的發展得到了中國國家航天局和中國科學院的支持。中科院高能所負責這項任務的衛星有效載荷、地面段和科學研究。中國空間技術研究院負責衛星系統的工作。清華大學參與了有效載荷和地面部分的開發。中國科學院國家空間科學中心和北京師範大學也參與了這項任務。“慧眼”衛星上探測器的校準工作得到了中國計量科學研究院、意大利費拉拉大學和馬克斯-普朗克地外物理研究所的支持。