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【中科院之声】蜘蛛脉冲星的家族新秀到底有多“毒”
2021-12-24 10:33:00| 【 【打印】【关闭】

蜘蛛脉冲星的绰号起源

图1 黑寡妇蜘蛛(左图)与红背蜘蛛(右图)  

    自然界中的蜘蛛是一种在地球上广泛分布,且神秘而古老的动物,最高可追溯到石炭纪时期(约3.4亿年前)。因“黑寡妇”和“红背”蜘蛛在雌雄交配后,雌性蜘蛛会立刻咬死雄性同伴,而谋杀成名。宇宙当中也有类似行为的天体,得益于天文学家们脑洞大开,除了不断带来宇宙奥秘惊喜,在给天体起绰号这件事上,他们也表现得毫不逊色。

  1988年,一颗呈现射电掩食现象的毫秒脉冲星双星被发现。在双星互相绕转过程中,伴星及其周边物质可能遮挡主星的辐射,导致射电望远镜探测不到脉冲信号,将产生掩食现象,类似于日食。星空“谋杀”现场中,这类脉冲星用自己的辐射和星风“杀掉”伴星,像这样的毫秒脉冲星被称为蜘蛛脉冲星。

图2 蜘蛛脉冲星示意图,伴星正在被脉冲星蒸发

  之后,天文学家陆续发现更多的存在掩食现象的脉冲星双星,并发现这类脉冲星的伴星质量有大有小,因此,根据伴星质量的不同将这类脉冲星命名为黑寡妇和红背脉冲星,统一称为蜘蛛脉冲星。其中,黑寡妇脉冲星的伴星质量介于0.02-0.05个太阳质量之间,而“黑寡妇”脉冲星的亲戚“红背”则伴星质量较大,介于0.2-0.4个太阳质量之间。它们统称为蜘蛛脉冲星,目前已发现超过70颗,脉冲星总数约为3000多颗。

  观测搜寻蜘蛛脉冲星对研究脉冲星的起源和演化至关重要。蒸发伴星现象在观测上为孤立毫秒脉冲星的形成提供了一种可能的起源。观测还发现,有些蜘蛛脉冲星在吸积供能与自转供能之间切换,则为经典的毫秒脉冲星吸积再加速理论提供了直接证据。此外,蜘蛛脉冲星中等离子透镜现象的发现进一步为分辨脉冲星的辐射区尺度提供了可能。

FAST捕捉的“毒蜘蛛”有等离子透镜现象 

  中国天眼FAST作为我国自主建造的世界上最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜,同样是世界上最强大的脉冲星搜寻利器。脉冲星观测研究是FAST最重要的科学目标之一。

  2018年“FAST多科学目标同时巡天(CRAFTS)”项目捕捉到一颗毫秒脉冲星——PSR J1720-0533。2019年,被“FAST优先和重大项目——脉冲星物理和演化”认证为黑寡妇脉冲星,其自转周期约为3.26 ms,轨道周期仅为3.16 hr。身为黑寡妇脉冲星的家族新秀,PSR J1720-0533得到普遍关注。

  为了更多揭开它的神秘面纱,中科院日博体育在线脉冲星团组特别研究助理王双强使用FAST望远镜进行后续观测,发现在进入掩食时,脉冲辐射呈现出明显的准周期性辐射变化,该变化可能是由等离子透镜现象导致。等离子透镜现象是低频电磁波在自由电子介质中传播通过折射产生的效应,在蜘蛛脉冲星中则表现为掩食附近脉冲辐射强度的变化。

  这是目前继蜘蛛脉冲星家族中PSR B1957+20,PSR B1744-24A 和PSR J2051-0827之后发现的第四例等离子透镜现象。奇特的是该脉冲星的等离子透镜现象仅发生在进掩食过程中,而出掩食过程中并没有发现类似现象,目前原因尚不清楚。

图3 黑寡妇脉冲星PSR J1720-0533的辐射强度随时间变化图,可以看到存在很明显的掩食

  蜘蛛脉冲星的辐射通常比较弱,尤其在掩食附近,辐射强度急剧下降,这极大地限制了双星参数的测量,得益于FAST高灵敏度观测优势,研究人员发现在掩食附近脉冲辐射存在消偏振现象,其线偏振消失时视线方向的粒子数密度几乎没有变化,这为伴星存在磁场提供了证据,经推算伴星磁场强度约为8G。研究人员进一步估计伴星的质量每秒损失1014克,计算表明大约在100亿年后,伴星将会完全消失。研究结果已发表在美国《天体物理学快报》(ApJL, 2021,922, L13)。

科学路上永不止步 

  近两年来,日博体育在线脉冲星团队科研人员基于FAST观测数据开展了大量科学研究,为FAST多出成果、出好成果做出了重要贡献。例如,首次发现了双中子星系统中的脉冲星PSR B1534+12该脉冲星存在弱态和爆发态这两种辐射状态;研究了毫秒脉冲星PSR J0621+1002中的单脉冲辐射变化和抖动噪声等。以上成果均发表在天文学国际期刊美国《天体物理学》上。目前,科研人员王双强也正在使用FAST观测数据,针对蜘蛛脉冲星进行大样本研究,期待捕捉到更多的新现象。

作者:蒋晨峰

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