1971年2月22日，一枚探空火箭從弗吉尼亞州的沃勒普斯島升空，帶著專門的傳感器瞄準蟹狀星雲，一個6500光年外的明亮宇宙物體。在那些日子裡，在恢復實驗的物理磁帶之前，科學家們首先在條形圖記錄器上接收科學數據，這是一種在紙上打印信號的設備。天文學家Martin Weisskopf和他的同事在發射日開始分析，用尺子和鉛筆測量信號之間的距離。

韋斯科普夫說：”使科學如此美麗和令人興奮的是，在那片刻間，你看到的是從未有人看到過的東西，”韋斯科普夫現在是美國航空航天局位於阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心的名譽天文學家。

幾十年後，魏斯科普夫提議開發一顆地球軌道衛星，配備強大的儀器，可以收集關於蟹狀星雲和其他神秘宇宙物體的更詳細的同類測量。這顆衛星成為美國宇航局的成像X射線測偏探測器（IXPE），它於2021年12月9日發射。

藝術家描繪的地球軌道上的IXPE。資料來源：美國國家航空航天局

現在，在探空火箭實驗50多年後，科學家們利用IXPE創建了蟹狀星雲磁場的詳細、微妙的地圖，比以往任何時候都更多地揭示了其內部運作。發表在《自然-天文學》雜誌上的這些新結果，有助於解決長期以來對蟹狀星雲的研究之謎，並為今後的研究提出了新問題。

IXPE數據顯示，蟹狀星雲的磁場與維拉脈衝星風狀星雲的磁場相似，後者也是甜甜圈形狀。但是在蟹狀星雲，科學家們驚訝地發現，磁場湍流的區域比預期的更加錯落有致和不對稱。

這項研究的主要作者、意大利佛羅倫薩INAF Arcetri天文台的天文學家Niccolò Bucciantini說：”這清楚地表明，即使是過去利用先進的數值技術開發的更複雜的模型，也不能完全抓住這個天體的複雜性。”

蟹狀脈衝星是一個著名的天文天體，距離地球約6500光年，它起源於一顆大質量恆星的爆炸。蟹狀星周圍的星雲包含一個甜甜圈形狀的磁場，美國宇航局的成像X射線測偏探測器（IXPE）觀察到了這個磁場。橙色的線條強調了IXPE確定的磁場形狀。它被疊加在由錢德拉X射線天文台（藍色和白色）、哈勃太空望遠鏡（紫色）和斯皮策太空望遠鏡（粉色）的數據組成的綜合圖像上。

蟹狀星雲是天文學家們最喜歡的研究對象，它是由1054年記錄的一顆超新星產生的。爆炸留下了一個被稱為蟹狀脈衝星的密集物體，直徑約為阿拉巴馬州的亨茨維爾或曼哈頓的長度，但質量卻相當於兩個太陽。來自旋轉的脈衝星的氣體、衝擊波、磁場和高能光和粒子的混亂局面被統稱為”脈衝星風星雲”。這些極端條件構成了一個尚未被徹底理解的怪異環境。

Weisskopf及其同事希望通過測量來自蟹狀星雲的X射線的偏振來以一種新的方式了解這種極端環境，因為蟹狀星雲在X射線中閃耀著光芒。X射線偏振為科學家們提供了線索，讓他們了解宇宙物體不同部分的磁場指向，以及磁場的有序程度。磁場的幾何形狀和湍流決定了粒子如何被彈射到光速。

1971年，美國宇航局的馬丁-魏斯科普夫和哥倫比亞大學的同事與Aerobee-350探空火箭合影，他們用該火箭首次探測到來自天體–蟹狀星雲–的X射線偏振。從左到右是羅伯特-諾維克，加布里埃爾-愛潑斯坦，魏斯科普夫，理查德-沃爾夫和理查德-林克。資料來源：美國國家航空航天局

在1971年的探空火箭實驗在地球大氣層上空停留的5分鐘裡，它產生了世界上第一個X射線偏振測量值。

科學家們在1975年用一顆名為OSO-8的衛星進行了跟進，它也測量了蟹狀星雲的X射線偏振。火箭和衛星產生了大致相同的結果： 蟹狀星雲的平均偏振率約為20%。

作為1999年發射的美國宇航局錢德拉X射線天文台的項目科學家，魏斯科普夫以新的方式繼續探索蟹狀星雲。”通過錢德拉，我們拍攝了星雲和脈衝星的美麗圖像，我們可以看到噴流和各種結構，”他說。錢德拉的X射線成像顯示了在星雲中移動的縷狀結構，並幫助科學家進一步了解脈衝星的能量和X射線發射之間的關係。

幾乎所有最近的大型望遠鏡都指向蟹狀星雲，以更好地了解這個神秘的超新星遺留物。但是只有IXPE能夠從偏振的角度研究來自巨蟹的X射線，偏振是對電磁場組織的一種測量。

“巨蟹是天空中被研究最多的高能天體之一。因此，我們可以通過IXPE的’偏振鏡’來了解這個系統的一些新情況，這是非常令人興奮的，”隸屬於馬里蘭大學巴爾的摩分校的美國宇航局戈達德太空飛行中心的研究科學家Michela Negro說，他也是這項研究的共同作者。

在整個星雲中，IXPE發現的平均偏振與Weisskopf及其同事在1970年代所做的大致相同。但是通過更複雜的儀器，IXPE能夠細化偏振的角度，並檢查整個天體中偏振的差異。科學家們在星雲的外圍區域看到了很多偏振的區域，離脈衝星有幾光年的距離，那裡的偏振比較低。

這使得科學家們不僅能夠研究來自蟹狀星雲的X射線，而且能夠研究來自脈衝星本身或其周圍磁場球體的X射線。研究結果表明，這些X射線起源於外部磁場區域，被稱為”風”區域，儘管確切的位置和方式仍然未知。在磁場內，由脈衝星的”風”產生的震盪正在推動接近光速的粒子。