中国天眼发现脉冲星辐射新形态——矮脉冲族群

2023-09-04

　　北京时间8月18日，国际科学期刊《自然·天文》发表了中国科学院国家天文台韩金林研究员领导的王绶琯巡天突击队的新成果，该团队利用中国天眼FAST成功探测并解析了一批脉冲星B2111+46磁层中零星雨滴般的微弱矮脉冲辐射，这种矮脉冲辐射族群是国际上其他射电望远镜难以观测的脉冲星辐射新形态，揭示了脉冲星辐射濒临熄灭时其磁层结构基本不变的物理事实。 

　　脉冲星旋转时一般会周期性地辐射出射电信号。然而，一些脉冲星经常会在某些周期中辐射完全熄灭，此现象被称为“脉冲消零”。脉冲消零的可能物理原因包括磁层结构和辐射区的变化、脉冲星感应电势不足导致放电火花和正负电子对的级联过程不能发生、或其他磁层一些区域产生了等离子体淹没了脉冲星的感应电场区域等。由于脉冲星辐射熄灭后，完全没有辐射，磁层结构和物理特征很难被探测，因此“脉冲消零”产生的物理机制一直难以确定。 

　　该团队在利用FAST进行脉冲星搜寻时通过仔细处理数据发现一颗已知脉冲星B2111+46在原本以为的“脉冲消零”状态下仍然有零星暗弱且宽度很窄的脉冲，这样的脉冲被命名为矮脉冲。之后针对这颗星进行了2小时的验证观测，获取了一百多个矮脉冲，他们在脉冲强度和宽度的分布上与正常脉冲明显区隔，构成为一个独立的辐射族群。因为FAST超高灵敏度，对矮脉冲的精确偏振测量结果表明，与正常脉冲相比，矮脉冲辐射区域的磁层结构基本没有改变，但矮脉冲中更容易在高频波段流量变的很强。精细测量单粒子滴辐射的反转辐射谱在过去的天文观测中相当罕见。 

　　脉冲星B2111+46相对比较年老，已经位于脉冲星的“死亡谷”，因此“脉冲消零”很可能是由于年老脉冲星感应电势和粒子加速能量不足引起的辐射不稳定。脉冲星正常脉冲是在稳定加速大量带电粒子、产生大量“雷暴”粒子滴所辐射出来的，而矮脉冲则是由这颗濒临死亡脉冲星在脆弱不稳定状态下形成的一个或少数几个粒子滴所产生的。 

　　该团队也在其他几颗脉冲星的“脉冲消零”状态中也检测到了少量矮脉冲，这种极弱辐射模式的新状态，只有用类似FAST极灵敏的望远镜才能探测到。 

　　此次矮脉冲族群的发现为研究脉冲星辐射难题研究打开了一个新窗口，对揭示脉冲星磁层物理及其极端等离子体环境具有重要的科学意义。 

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-02056-z。

图1：FAST以超高的灵敏度解构脉冲星B2111+46每个周期的辐射，其中第237号脉冲是一个特别的矮脉冲。

图2：脉冲星B2111+46的矮脉冲在脉冲宽度和辐射能量方面与正常脉冲明显区隔，成为脉冲星辐射的新形态。