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FAST首次发现并认证的毫秒脉冲星是什么?

发布时间: 2018-05-02 17:23:07 来源: 浙江在线 编辑 曾杨希

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FAST资料图

  浙江在线5月2日讯(浙江在线记者 曾杨希)近日,中国科学院国家天文台官网公布,FAST(500米口径球面射电望远镜)首次发现的毫秒脉冲星得到国际认证,这是FAST继发现脉冲星之后的另一重要成果。这颗毫秒脉冲星J0318+0253的周期为5.19毫秒。

  什么是毫秒脉冲星?发现它有什么意义?敲黑帮划重点,关于脉冲星的科普课开讲啦。

  FAST发现毫米脉冲星有什么意义?

  今年2月27日,FAST通过跟踪伽马射线点源3FGL J0318.1+0252,首次发现了一颗毫秒脉冲星,然后又通过FAST与费米伽马射线卫星大视场望远镜(Fermi-LAT)的国际合作认证了此次新发现。4月18日,FAST首次发现的毫秒脉冲星得到国际认证。

  新发现的脉冲星J0318+0253自转周期5.19毫秒,根据色散估算距离地球约4000光年,由FAST使用超宽带接收机进行一小时跟踪观测发现,是至今发现的射电流量最弱的高能毫秒脉冲星之一。国际大型射电天文台曾对其进行过多次脉冲星搜索,比如美国Arecibo望远镜在2013年6月开展的三次定点观测,都未探测到。通过对Fermi-LAT伽马射线数据的后随计时分析证实J0318+0253为孤立毫秒脉冲星,并提高位置精度至亚角秒量级。这是FAST–Fermi-LAT合作组的首个成果。双方将继续合作研究,并开展多波段观测分析。

  毫秒脉冲星是每秒自转上百次的特殊中子星,对其研究不仅有望对理解中子星演化、奇异物质状态起到重要作用,而且稳定的毫秒脉冲星是低频引力波探针。脉冲星搜索是进行引力波探测研究的基础,脉冲星计时阵是观测超大质量双黑洞发出的引力波最有效的方法。脉冲星计时阵依赖数十颗计时性质良好的毫秒脉冲星,其样本的扩大、性能的提高起始于脉冲星搜索。此次FAST首次发现毫秒脉冲星,展示了FAST对国际低频引力波探测作出实质贡献的潜力,凸显了大口径射电望远镜在新时代的生命力。

  三类脉冲星分清楚

  脉冲星就是旋转的中子星,因为其辐射束会周期性快速扫过地球,使地球人看到一个个周期脉冲而得名。

  望远镜对准脉冲星进行观测,往往能收到周期性的脉冲信号。而这个周期,就是脉冲星一个重要观测参数。

  人们观测到的脉冲星信号,虽然在短时间内周期几乎看不出变化,但如果分析长时间的观测数据就会发现,它们的周期是会变化的。而周期变化的快慢,即周期变化率,也是脉冲星一个重要的观测量。

  如果以脉冲星的周期为横轴,周期变化率为纵轴,在二维图上点出已知的脉冲星,那么将得到以下这么一张神奇的关系图。

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  图上的标记大致分成了三块。

  中间主要由黑色点组成的一块数量最多,我们有时统称其为“正常脉冲星”,周期大概在0.5秒左右。周期变化率则说明每隔一秒这些脉冲星的周期就会缩短大概10的-15次方秒。

  右上角有少量空心三角形抱团。观测表明这些脉冲星的磁场比较强大,所以我们称它们为“磁星”。磁星的周期比正常脉冲星要长一些,周期更不稳定(周期变化率更大)。

  左下角主要由带圆圈黑点组成的一坨,就是今天的主角——毫秒脉冲星。这些脉冲星的周期大部分在10毫秒以下,同时它们的周期变化率比正常脉冲星小了约十万倍。

  毫秒脉冲星是怎么来的?

  图上用了不用的符号来表示脉冲星。不用的符号代表了对应的脉冲星带有附加属性。这里说其中的两类,带圆圈黑点是处于双星系统中的脉冲星;五角星是和超新星遗迹挨在一起的脉冲星。

  仔细观察脉冲星“周期/周期变化率”关系图会发现,那些与超新星遗迹在一起的脉冲星(五角星)都集中在正常脉冲星左上角。脉冲星诞生于超新星爆炸,而超新星遗迹就是爆炸遗留下来的气体。著名的蟹状星云就是一个超新星爆炸遗迹,而星云中间还有一颗著名的脉冲星,即蟹状星云脉冲星。

  为啥只有这么少量的脉冲星是待在超新星遗迹边上的?答案是:这些都是些年轻的脉冲星。而当脉冲星“长大”(这里只是表示年龄变大,不是指体积、质量变大)之后,就会离开“襁褓”了。随着时间的推移,很多脉冲星就远离了其原本所在的超新星遗迹。一个著名的例子是吉他星云及其中的脉冲星。

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哈勃望远镜于不同年份拍摄的吉他星云

  在吉他星云“琴头”部位里藏有一颗脉冲星。一般认为,这次超新星爆炸得不太均匀,使原本生成于“琴腹”中的脉冲星被炸飞了出去,慢慢地拉出现在看到类似吉他的星云形状。由于这颗脉冲星被炸飞出去的速度很快,现在正以大约1600公里每秒的速度远离星云,所以如果每隔几年去拍一张照片,能看出星云明显被拉得更长了。

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  如果故事继续发展下去,脉冲星的自转能量进一步损失,那它在“周期/周期变化率”关系图中的位置就会慢慢往右下角移动,最终进入右下角灰色三角区域——脉冲星“坟墓”区。进入坟墓之前,脉冲星的辐射会变得时有时无,最终进入坟墓“死去”,不再发出辐射。不过“坟墓”区仅仅只是理论研究结果,实际上也有“僵尸”脉冲星存在(处在坟墓中但仍然发出信号)。

  FAST此前发现的脉冲星,都属于“正常脉冲星”。

  有一部分脉冲星比较幸运,它们边上有另外一颗恒星。这就是双星中的脉冲星。这些脉冲星,当距离边上的恒星足够近时,可以通过吸收对方的物质来“抵抗衰老”。在吸收物质的过程中,这些脉冲星的自转速度会越来越快,脉冲信号的周期随着变短。它们的周期变化率也会变小,即周期更加稳定。它们就这样靠着他星的能量,慢慢地从“正常脉冲星”那一堆分布中朝左下角移动,最终成为一颗毫秒脉冲星。

  所以现在可以回答什么是毫秒脉冲星了,就是一类依靠吸积伴星物质加速成为周期又短又稳定的脉冲星。

 (综合中国科学院计算机网络信息中心、新华网等。编辑 曾杨希)

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