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【中科院之聲】蜘蛛脈沖星的家族新秀到底有多“毒”
2021-12-24 10:33:00| 【 【打印】【關閉】

蜘蛛脈沖星的綽號起源

圖1 黑寡婦蜘蛛(左圖)與紅背蜘蛛(右圖)  

    自然界中的蜘蛛是一種在地球上廣泛分布,且神秘而古老的動物,最高可追溯到石炭紀時期(約3.4億年前)。因“黑寡婦”和“紅背”蜘蛛在雌雄交配后,雌性蜘蛛會立刻咬死雄性同伴,而謀殺成名。宇宙當中也有類似行為的天體,得益于天文學家們腦洞大開,除了不斷帶來宇宙奧秘驚喜,在給天體起綽號這件事上,他們也表現得毫不遜色。

  1988年,一顆呈現射電掩食現象的毫秒脈沖星雙星被發現。在雙星互相繞轉過程中,伴星及其周邊物質可能遮擋主星的輻射,導致射電望遠鏡探測不到脈沖信號,將產生掩食現象,類似于日食。星空“謀殺”現場中,這類脈沖星用自己的輻射和星風“殺掉”伴星,像這樣的毫秒脈沖星被稱為蜘蛛脈沖星。

圖2 蜘蛛脈沖星示意圖,伴星正在被脈沖星蒸發

  之后,天文學家陸續發現更多的存在掩食現象的脈沖星雙星,并發現這類脈沖星的伴星質量有大有小,因此,根據伴星質量的不同將這類脈沖星命名為黑寡婦和紅背脈沖星,統一稱為蜘蛛脈沖星。其中,黑寡婦脈沖星的伴星質量介于0.02-0.05個太陽質量之間,而“黑寡婦”脈沖星的親戚“紅背”則伴星質量較大,介于0.2-0.4個太陽質量之間。它們統稱為蜘蛛脈沖星,目前已發現超過70顆,脈沖星總數約為3000多顆。

  觀測搜尋蜘蛛脈沖星對研究脈沖星的起源和演化至關重要。蒸發伴星現象在觀測上為孤立毫秒脈沖星的形成提供了一種可能的起源。觀測還發現,有些蜘蛛脈沖星在吸積供能與自轉供能之間切換,則為經典的毫秒脈沖星吸積再加速理論提供了直接證據。此外,蜘蛛脈沖星中等離子透鏡現象的發現進一步為分辨脈沖星的輻射區尺度提供了可能。

FAST捕捉的“毒蜘蛛”有等離子透鏡現象 

  中國天眼FAST作為我國自主建造的世界上最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡,同樣是世界上最強大的脈沖星搜尋利器。脈沖星觀測研究是FAST最重要的科學目標之一。

  2018年“FAST多科學目標同時巡天(CRAFTS)”項目捕捉到一顆毫秒脈沖星——PSR J1720-0533。2019年,被“FAST優先和重大項目——脈沖星物理和演化”認證為黑寡婦脈沖星,其自轉周期約為3.26 ms,軌道周期僅為3.16 hr。身為黑寡婦脈沖星的家族新秀,PSR J1720-0533得到普遍關注。

  為了更多揭開它的神秘面紗,中科院新疆天文臺脈沖星團組特別研究助理王雙強使用FAST望遠鏡進行后續觀測,發現在進入掩食時,脈沖輻射呈現出明顯的準周期性輻射變化,該變化可能是由等離子透鏡現象導致。等離子透鏡現象是低頻電磁波在自由電子介質中傳播通過折射產生的效應,在蜘蛛脈沖星中則表現為掩食附近脈沖輻射強度的變化。

  這是目前繼蜘蛛脈沖星家族中PSR B1957+20,PSR B1744-24A 和PSR J2051-0827之后發現的第四例等離子透鏡現象。奇特的是該脈沖星的等離子透鏡現象僅發生在進掩食過程中,而出掩食過程中并沒有發現類似現象,目前原因尚不清楚。

圖3 黑寡婦脈沖星PSR J1720-0533的輻射強度隨時間變化圖,可以看到存在很明顯的掩食

  蜘蛛脈沖星的輻射通常比較弱,尤其在掩食附近,輻射強度急劇下降,這極大地限制了雙星參數的測量,得益于FAST高靈敏度觀測優勢,研究人員發現在掩食附近脈沖輻射存在消偏振現象,其線偏振消失時視線方向的粒子數密度幾乎沒有變化,這為伴星存在磁場提供了證據,經推算伴星磁場強度約為8G。研究人員進一步估計伴星的質量每秒損失1014克,計算表明大約在100億年后,伴星將會完全消失。研究結果已發表在美國《天體物理學快報》(ApJL, 2021,922, L13)。

科學路上永不止步 

  近兩年來,新疆天文臺脈沖星團隊科研人員基于FAST觀測數據開展了大量科學研究,為FAST多出成果、出好成果做出了重要貢獻。例如,首次發現了雙中子星系統中的脈沖星PSR B1534+12該脈沖星存在弱態和爆發態這兩種輻射狀態;研究了毫秒脈沖星PSR J0621+1002中的單脈沖輻射變化和抖動噪聲等。以上成果均發表在天文學國際期刊美國《天體物理學》上。目前,科研人員王雙強也正在使用FAST觀測數據,針對蜘蛛脈沖星進行大樣本研究,期待捕捉到更多的新現象。

作者:蔣晨峰

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