世界最亮X射线激光器发出第一束光 可为生物化学过程拍摄“分子电影”

世界最亮X射线激光器发出第一束光可为生物化学过程拍摄“分子电影”SLAC国家加速器实验室升级了其直线加速器相干光源X射线自由电子激光器。图片来源：格雷戈·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室LCLS-Ⅱ通过一个复杂的过程产生X射线。首先，研究人员使用紫外线激光器将电子从铜板中分离出来，然后用强烈的微波脉冲加速电子，这些电子随后穿过由数千块磁铁组成的“迷宫”。在此过程中，这些电子会来回摆动，并以可预测且可控的方式发射X射线。研究人员将这些X射线脉冲引导到物体上，可以对其内部结构进行成像。LCLS-Ⅱ产生的X射线的亮度是医疗领域使用的X射线的1万亿倍，是其“前任”LCLS产生的X射线的1万倍。SLAC的迈克·邓恩解释说，X射线的亮度之所以被提高，部分原因是他们翻新了3公里长的金属管，电子会通过该带有铌内衬的金属管。当被冷却到-271℃左右时，铌可以承受前所未有的高能电子。澳大利亚乐卓博大学的纳迪亚·扎泽平指出，LCLS-Ⅱ让研究人员能以前所未有的细节观察原子尺度上的生物化学过程是如何发生的，使制作生物学过程的“分子电影”成为可能，比如哺乳动物视觉成像过程、光合作用、药物结合和基因调控等。邓恩也表示，LCLS-Ⅱ能在极短时间内产生大量明亮的X射线，可以让研究人员看到材料内部发生了什么，比如用于人工光合设备或下一代半导体的材料、超导体等。LCLS-Ⅱ是一种用途非常广泛的研究工具，就像一个强大的显微镜，可以观察从量子材料到生物系统，从催化化学到原子物理的一切细节。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385183.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385183.htm

NASA成像X射线偏振探测仪（IXPE）发回船底座脉冲星风星云的观测图像

NASA成像X射线偏振探测仪（IXPE）发回船底座脉冲星风星云的观测图像这张图片显示了船底座脉冲星风星云。浅蓝色代表来自NASA的成像X射线偏振探测器的X射线偏振数据。粉色和紫色对应的是美国宇航局钱德拉X射线观测站的数据，该观测站之前已经多次观测过船底座。美国宇航局的哈勃太空望远镜贡献了背景中的星星。在这张新图片中，朦胧的浅蓝色光晕对应的是船底座的首次X射线偏振数据，它来自于美国宇航局的成像X射线偏振探测器，简称IXPE。一条指向右上角的微弱的蓝色模糊线，对应于从脉冲星中以大约一半的光速射出的高能粒子的喷流。粉红色的X射线"弧线"被认为是标志着甜甜圈状区域的边缘，在那里，脉冲星的风会对高能粒子进行冲击和加速。脉冲星本身位于图像中心的白圈处。粉色和紫色对应的是美国宇航局钱德拉X射线天文台的数据，该天文台以前曾多次观测过船底座。金色的星星是由NASA的哈勃太空望远镜拍摄的。测量偏振与电磁波的组织方式有关，使科学家们对像脉冲星这样的宇宙物体如何将粒子加速到高速有了前所未有的了解。艺术家描绘的地球轨道上的IXPE资料来源：美国国家航空航天局位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的高级科学家菲尔-卡雷特说："通过IXPE，我们正在使用像船底这样的极端天体作为实验室来研究天体物理学中一些最紧迫的问题，例如在恒星爆炸后很久，粒子如何被弹射到接近光速。"在最近的一项研究中，科学家们对他们在船底脉冲星风星云的X射线中发现的高度偏振感到惊讶。IXPE对这个天体的观测结果于12月发表在《自然》杂志上。《自然》研究的主要作者、中国广西南宁的广西大学教授、曾在罗马的意大利国家天体物理研究所/空间天体物理学和行星学研究所（INAF/IAPS）担任博士后研究员的谢飞说："这是迄今为止在天体X射线源中测量到的最高程度的极化。来自美国宇航局成像X射线偏振探测仪（IXPE）对船底脉冲星风星云的观测图像。颜色代表不同的X射线强度，其中最亮的区域为红色，最暗的区域为蓝色。黑线表示基于IXPE数据的磁场方向，银线表示基于澳大利亚望远镜紧凑型阵列的无线电数据的磁场方向。灰色的等值线显示了来自钱德拉数据的X射线强度。脉冲星位于最亮X射线发射的中心附近。资料来源：Xie等人，2022年（自然）。高极化意味着电磁场组织良好；它们在特定的方向上一字排开，并且取决于它们在星云中的位置。更重要的是，IXPE探测到的X射线来自于在脉冲星风星云的磁场中旋转的高能电子，称为"同步辐射"。高度偏振的X射线意味着这些磁场也必须是组织良好的。参与IXPE数据分析的斯坦福大学天体物理学家RogerW.Romani说："与周围有一层物质外壳的超新星残骸相比，X射线的高偏振性表明电子没有被湍流冲击加速，这在其他X射线源中似乎很重要。相反，必须有一些其他的过程参与其中，例如磁重联，这涉及到磁场线的断裂和连接。这是一种磁能被转换为粒子能量的方式。"IXPE数据还表明，磁场在脉冲星的赤道周围排列成一个光滑的甜甜圈状结构。这种形状符合科学家的预期。罗马INAF/IAPS的研究员AlessandroDiMarco说："这个IXPE的X射线偏振测量为船底座脉冲星风星云的谜题增加了一块缺失的部分，他为数据分析做出了贡献。通过以前所未有的分辨率进行测绘，IXPE揭示了中心区域的磁场，显示出与外部星云的无线电图像获得的结果一致。"船底脉冲星距离地球约1000光年，直径约15英里（25公里），每秒旋转11次，比直升机旋翼还快。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349037.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349037.htm

从阴影中走出来：一种X射线彩色成像的新方法

从阴影中走出来：一种X射线彩色成像的新方法上图展示了如何使用新开发的方法创建一个图像。两种颜色--绿色和品红色--是由样品中的荧光原子（左）由于X射线的激发而发出的。灰色的圆形物体代表一个在检测器上投下阴影的光学器件。然后，该算法产生一个具有两种颜色的实际图像--其强度代表了样品中荧光原子的密度。与可见光相比，对于"不可见"的辐射，如X射线、中子或伽马射线，还没有类似的强大镜头可以诠释。然而，这些类型的辐射是必不可少的，例如，在核医学和放射学，以及工业测试和材料分析中。X射线荧光的用途包括分析绘画和文物中的化学成分，以确定真实性、来源或生产技术，或在环境保护中分析土壤样本或植物。半导体元件和计算机芯片的质量和纯度也可以用X射线荧光分析来检查。科学家们使用了慕尼黑PNSensor公司开发的X射线彩色相机和一个新颖的成像系统，该系统基本上由物体和探测器之间的一个特殊结构的金涂层板组成，这意味着样品会投下阴影。检测器中测量的强度模式提供了关于样品中荧光原子分布的信息，然后可以用计算机算法进行解码。这种新方法意味着平板可以非常接近物体或检测器，与使用X射线透镜时不同，这使得这是一种实用的方法。第一作者哥廷根大学X射线物理研究所的博士后研究员JakobSoltau博士解释说："我们已经开发了一种算法，使我们能够快速和稳健地创建一个清晰的图像，同时为每一种X射线颜色。"共同作者、同一研究所的博士生PaulMeyer补充说。"这些光学器件根本无法与普通透镜相比；它们是由瑞士的一家新公司按照我们的精确规格制造的"。这家新成立的公司XRNanotech专门从事纳米结构的研究，由在哥廷根大学完成博士学位的FlorianDöhring博士创立。研究小组负责人蒂姆-萨尔迪特教授总结道。"接下来，我们希望将这种方法扩展到生物样本的三维成像，以及探索成像中的现象，如X射线、中子或核医学中的伽马射线的非弹性散射"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343959.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343959.htm

X 射线激光器发射有史以来最强脉冲，有望为分子内部电子 “拍电影”

X射线激光器发射有史以来最强脉冲，有望为分子内部电子“拍电影”据英国《新科学家》网站22日报道，美国SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）发出有史以来最强X射线脉冲。该脉冲仅持续4.4万亿分之一秒，产生的功率却接近1太瓦（100亿兆瓦），为普通核电站年产量的1000倍。这些超快X射线可用于更详细地拍摄分子内部情况，促进基础物理和材料科学领域发展。相关研究论文发表于最新一期《自然・光子学》杂志。

获得诺贝尔奖的阿秒电影与科技的未来

获得诺贝尔奖的阿秒电影与科技的未来阿秒光脉冲有助于研究人员了解电子的运动。图片来源：GregStewart/SLAC国家加速器实验室然而，电子是原子的一部分，也是将分子中的原子粘合在一起的胶水。它们的速度要快得多。因此，像我这样的物理学家用来捕捉它们运动的工具必须非常快--快到阿秒级。一阿托秒是十亿分之一秒（10-18秒）--一阿托秒与一秒钟的比例就相当于一秒钟与宇宙年龄的比例。在摄影中，要想清晰地拍摄到快速移动的物体，必须使用快速快门的相机或快速频闪灯来照亮物体。通过快速连续拍摄多张照片，物体的运动轨迹就能清晰呈现。快门或频闪灯的时间尺度必须与物体运动的时间尺度相匹配，否则，图像就会模糊不清。当研究人员试图对电子的超快运动进行成像时，这一理念同样适用。捕捉阿秒级的运动需要使用阿秒频闪器。2023年诺贝尔物理学奖获得者为产生这种阿秒激光频闪做出了开创性的贡献。想象一下，原子中的电子被一堵墙限制在原子内部。当来自高功率飞秒激光器的飞秒（10-15秒）激光脉冲对准氩等惰性气体的原子时，脉冲中的强电场会降低原子壁。这是因为激光电场的强度与原子核的电场强度相当。电子看到这道降低的壁，并在一种称为量子隧道的奇异过程中穿过。电子一离开原子，激光电场就会捕获它们，将它们加速到高能量，并将它们撞回它们的母原子。这一再碰撞过程产生了阿秒激光。那么，物理学家是如何利用这些超短脉冲制作阿秒尺度的电子电影的呢？传统的电影是一个场景一个场景地拍摄，每个瞬间都用摄像机捕捉为一个画面。然后将这些场景拼接在一起，形成完整的电影。电子的阿秒电影也采用了类似的理念。阿秒脉冲就像频闪灯一样，照亮电子，这样研究人员就能捕捉到它们的图像，一遍又一遍，就像电影场景一样。这种技术被称为泵浦探针光谱学。然而，直接对原子内部的电子运动进行成像目前还很困难，不过研究人员正在利用先进的显微镜开发几种方法，使直接成像成为可能。通常情况下，在泵探光谱学中，一个"泵"脉冲使电子运动起来，并开始拍摄电影。然后，一个"探针"脉冲在泵脉冲到达后的不同时间点亮电子，这样电子就能被"相机"（如光电子能谱仪）捕捉到。电子运动的信息或"图像"是通过复杂的技术捕捉到的。例如，光电子能谱仪可以检测出探针脉冲从原子中带走了多少电子，光子能谱仪则可以测量出探针脉冲被原子吸收了多少。然后将不同的"场景"拼接在一起，制作出电子的阿秒电影。在复杂理论模型的帮助下，这些影片有助于从根本上深入了解阿秒电子行为。例如，研究人员以阿秒时间尺度测量了有机分子中电荷在不同时间的位置。这样，他们就能在分子尺度上控制电流。在大多数科学研究中，对某一过程的基本了解会导致对该过程的控制，而这种控制又会带来新的技术。好奇心驱动的研究可以带来难以想象的未来应用，阿秒科学可能也不例外。了解和控制电子在阿秒尺度上的行为，可以让研究人员利用激光来控制化学反应，而其他方法则无法做到这一点。这种能力有助于设计出现有化学技术无法制造的新分子。改变电子行为的能力可实现超快开关。研究人员有可能在阿秒尺度上将电绝缘体转换为导体，从而提高电子器件的速度。目前，电子设备处理信息的速度为皮秒级，即10-12秒。阿秒脉冲的波长很短，通常处于极紫外（或称EUV）波段，可能会在半导体行业的EUV光刻中得到应用。极紫外光刻利用波长极短的激光在电子芯片上蚀刻微小电路。最近，自由电子激光器（如美国SLAC国家加速器实验室的林纳相干光源）已成为明亮的X射线激光光源。这些激光器现在可以产生阿秒级的脉冲，为利用阿秒X射线进行研究提供了多种可能性。人们还提出了产生zeptosecond（10-21秒）级激光脉冲的想法。科学家可以利用这些比阿秒脉冲更快的脉冲来研究原子核内质子等粒子的运动。随着众多研究小组积极致力于解决阿秒科学中令人兴奋的问题，以及2023年诺贝尔物理学奖对其重要性的认可，阿秒科学将有一个漫长而光明的未来。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390291.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390291.htm

X射线望远镜揭示"宇宙幽灵之手"MSH 15-52的"骨头"

X射线望远镜揭示"宇宙幽灵之手"MSH15-52的"骨头"通过结合钱德拉和IXPE的数据，天文学家们正在进一步了解脉冲星是如何向太空注入粒子并塑造其环境的。图中显示的是X射线数据和来自智利暗能量相机的红外数据。年轻的脉冲星会产生物质和反物质喷流，从脉冲星的两极向外移动，同时产生强烈的风，形成"脉冲星风星云"。这颗被称为MSH15-52的脉冲星形状酷似人类的手掌，让人们了解到这些天体是如何形成的。资料来源：X射线：NASA/CXC/斯坦福大学/R.Romanietal.(Chandra);NASA/MSFC(IXPE);Infrared：NASA/JPL-Caltech/DECaPS；图像处理：NASA/CXC/SAO/J.SchmidtIXPE对它进行了大约17天的观测，这是该任务中对单个天体观测时间最长的一次。具有强磁场的旋转中子星或脉冲星是极端物理学的实验室，提供了地球上无法复制的高能条件。年轻的脉冲星会产生物质和反物质喷流，这些喷流从脉冲星的两极喷出，并伴随着强烈的风，形成"脉冲星风星云"。发现"太空之手"2001年，NASA的钱德拉X射线天文台首次观测到脉冲星PSRB1509-58，发现它的脉冲星风星云（被称为MSH15-52）酷似一只人手。脉冲星位于星云"手掌"的底部。现在，钱德拉的MSH15-52数据与NASA最新的X射线望远镜--成像X射线极坐标探测器（IXPE）的数据相结合，揭开了这一非凡结构的磁场"骨骼"。IXPE盯着MSH15-52长达17天，这是它自2021年12月发射以来观察单个天体时间最长的一次。这是钱德拉X射线观测所看到的MSH15-52。它不包括IXPE的X射线和红外线观测数据，这些数据包含在文章顶部的合成图像中。资料来源：X射线：NASA/CXC/StanfordUniv./R.Romanietal.Romanietal.(Chandra);ImageProcessing：NASA/CXC/SAO/J.Schmidt解读合成图像在新的合成图像中，钱德拉数据显示为橙色（低能X射线）、绿色和蓝色（高能X射线），而弥漫的紫色则代表IXPE观测数据。脉冲星位于手掌底部的明亮区域，手指伸向周围形成脉冲星的超新星遗迹中的低能X射线云。该图像还包括暗能量相机平面巡天（DECaPS2）第二次发布的红外数据（红色和蓝色）。威廉-伦琴为妻子安娜-贝莎-路德维希（AnnaBerthaLudwig）的手拍摄的第一张医学X光片。资料来源：威廉-伦琴IXPE数据首次提供了"手"的磁场图。它揭示了由X射线源磁场决定的X射线电场方向的信息。这就是所谓的"X射线极化"。另一张X射线图像（下图）显示了MSH15-52的磁场图。在该图像中，短直线代表IXPE偏振测量，映射出当地磁场的方向。橙色"条"代表最精确的测量结果，青色和蓝色"条"代表不太精确的测量结果。复杂的磁场线沿着手的"手腕"、"手掌"和"手指"分布，可能有助于确定手指状的延伸结构。MSH15-52的磁场图。线条代表IXPE极化测量结果，映射出当地磁场的方向。条形图的长度表示极化的程度。资料来源：X射线：NASA/CXC/StanfordUniv./R.Romanietal.Romanietal.(Chandra);NASA/MSFC(IXPE);Infared：NASA/JPL-Caltech/DECaPS；图像处理：NASA/CXC/SAO/J.Schmidt用条形长度表示的极化量非常高，达到了理论工作所预期的最高水平。要达到这种强度，磁场必须非常平直和均匀，这意味着脉冲星风星云的这些区域几乎没有湍流。MSH15-52的一个特别有趣的特征是从脉冲星向图像底部的"手腕"喷射出明亮的X射线。新的IXPE数据显示，喷流开始时的极化很低，这可能是因为这是一个湍流区域，磁场复杂而纠结，与高能粒子的产生有关。到了喷流的末端，磁场线似乎变直了，变得更加均匀，从而导致极化变得更大。斯坦福大学的罗杰-罗曼尼（RogerRomani）及其合作者撰写的描述这些结果的论文发表在2023年10月23日的《天体物理学杂志》（TheAstrophysicalJournal）上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393471.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393471.htm