近日，由南开大学物理科学学院孔令达副教授，图宾根大学Andrea Santangelo教授以及中国科学院高能物理研究所张澍研究员等组成的国际合作团队，利用我国首颗X射线天文卫星“慧眼”（Insight-HXMT）对强磁场吸积脉冲星1A 0535+262的爆发监测数据，首次在观测上发现其磁极冠区吸积柱可在几十秒时间尺度上发生快速、准周期性的结构变化。相关成果以“Rapid quasi-periodic reconfiguration of the accretion column in pulsar 1A 0535+262”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
本文研究的1A 0535+262是一个典型的Be/X射线双星系统，由一颗具有强磁场、快速自转的中子星和一颗大质量Be型伴星组成。中子星通过强大的引力捕获伴星释放的物质；当这些物质进入中子星磁层后，又受到强磁场约束，沿磁力线流向磁极附近，并在较高吸积率下形成高温、强辐射的吸积柱。在中子星的强磁场中，电子的运动只能处于一系列离散的量子能级。当X射线光子的能量与这些能级之间的能量差相匹配时，光子会被电子共振散射，从而在X射线能谱中留下吸收状结构，即回旋吸收线。回旋线能量与局部磁场强度密切相关，因而可以作为探测吸积柱内部磁场及辐射形成区域的重要“磁场标尺”，是人类能够直接探测中子星磁场的唯一观测手段。在给定磁场几何模型的条件下，回旋吸收线的测量对辐射形成区域的特征高度及吸积柱结构给出强约束。
传统的准稳态模型通常认为，吸积柱结构主要由瞬时物质吸积率决定，并随吸积率的变化平滑调整。然而，在几十秒的短时间尺度上的极冠区吸积物理图像由于缺少直接的观测检验一直是未解的谜团。研究团队系统分析了1A 0535+262在2020年巨型爆发期间的“慧眼”卫星观测数据。除由中子星自转产生的稳定周期脉冲外，该源的硬X射线辐射中还存在时间尺度为几十秒的准周期振荡。该信号为追踪单个振荡周期内吸积柱的快速变化提供了天然的时间标尺，使1A 0535+262成为检验短时间尺度吸积柱物理图像的理想天体实验室。
研究利用慧眼张澍研究员团队税擎苍博士发展的变分模态分解技术，结合希尔伯特变换方法，将准周期振荡从稳定脉冲和宽频噪声中分离出来，提取其瞬时相位，并进一步开展准周期振荡相位分辨能谱研究。结果首次观测到25千电子伏以上的硬X射线表观流量变化伴随着基频回旋吸收线能量的相干振荡；该振荡呈近似正弦形态，并与准周期流量变化呈反相关（图1）。更为有趣的是，这种发生在几十秒内的回旋线能量变化明显偏离了在经典图像上整个爆发期间长期、平滑的回旋线能量—光度关系，其变化幅度显著超过了简单吸积率涨落在准稳态模型下所能产生的预期（图2）。结果表明，短时间尺度上的准周期流量变化不能被简单视为长期吸积演化的缩小版本；回旋线形成区域能够在单个准周期内发生快速变化，并支持吸积柱几何结构发生动态重构的解释。研究还发现，显著的准周期振荡主要出现在辐射压开始发挥重要动力学作用的高光度阶段，进一步说明该现象与吸积柱内部辐射主导的动力学过程密切相关。
基于上述观测结果，团队首次揭示出吸积柱内部存在“物质泄漏—补充”微观循环图像（图3）：随着物质不断积累，吸积柱内部压力逐渐升高；当局部压力超过磁场的稳定约束能力时，部分物质可能通过磁不稳定性横向泄漏并释放压力，使吸积柱收缩；而持续吸积随后重新补充物质并推动吸积柱再次膨胀。这一循环可改变回旋线形成区域的高度和局部磁场强度，从而产生观测到的准周期性回旋线能量变化。该“物质泄漏—补充”机制的发生条件需在辐射压主导的辐射磁流体力学数值模拟和更多类似的吸积脉冲星系统中开展进一步的研究和检验。
该研究首次获得了吸积柱在准周期振荡时间尺度上快速变化的能谱—时变观测证据，首次给出极冠区吸积柱存在短时标震荡的物理图像，并揭示出经典的准稳态吸积柱图像在高光度状态下的局限，为发展极冠区辐射模型、理解强磁场中子星吸积柱的内部动力学及准周期振荡的物理起源提供了全新的视角。
南开大学物理科学学院孔令达副教授为论文第一作者和共同通讯作者，中国科学院国家授时中心代晓航博士为论文的共同通讯作者。来自德国图宾根大学的Valery Suleimanov,中山大学的纪龙副教授，中国科学院高能物理研究所张澍研究员、张双南研究员和冯骅研究员，以及图尔库大学的Sergey Tsyganko深度参与了论文的讨论和审阅工作。研究获得国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金、中德（CSC-DAAD）博士后奖学金项目、国家自然科学基金、德国研究基金会以及芬兰研究委员会中子星物理卓越中心项目的支持。
“慧眼”卫星是我国第一颗X射线天文卫星，于2017年6月发射升空，搭载高能、中能和低能X射线望远镜，覆盖1到250千电子伏的宽广能区。凭借宽能段覆盖、在硬X射线能段较大的有效探测面积、高时间分辨率以及观测强源时不受光子堆积效应影响等优势，“慧眼”卫星在研究黑洞和中子星等致密天体爆发时的快速光变与高能辐射现象方面具有国际领先的巨大优势，特别是探测吸积脉冲星的回旋吸收线及吸积柱动力学提供了独特的观测能力，并取得了一系列原创成果。目前“慧眼”卫星运行平稳，已经给出了超过400篇的论文产出，未来协同2030年附近发射的下一代eXTP开展观测，将构成世界上在X射线天文研究的旗舰型卫星观测阵列。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75290-4
图1：1A 0535+262的基频回旋吸收线能量随准周期振荡相位的变化。红色数据点表示三个代表性观测中不同准周期相位对应的回旋线中心能量，黑色曲线表示最佳拟合的正弦调制，蓝色虚线为归一化后的准周期振荡轮廓。三个观测均显示，回旋线能量随准周期相位发生相干变化，并与准周期流量呈反相关。（图片引自本项成果论文）
图2：1A 0535+262在长、短不同时间尺度上的能谱参数演化。灰色数据点表示2020年巨型爆发期间长期的回旋线能量—光度关系，彩色数据点表示三个代表性观测中随准周期相位变化的结果。短时间尺度上的回旋线能量变化明显偏离长期演化趋势，表明准周期调制不能被简单解释为吸积柱对瞬时吸积率变化的准稳态响应。（图片引自本项成果论文）
图3：研究团队提出的吸积柱“物质泄漏—补充”循环示意图。（图片引自本项成果论文）
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