脉冲星是宇宙中最精确的时钟。因为这个原因,脉冲星是天文学的重要研究对象之一。脉冲星是向地球发出周期信号的中子星,直径大约二十千米,质量和太阳差不多,非常致密,是大质量恒星死亡的产物,在银河系中主要分布在银道面上和球状星团(分布在银河系各处,及呈球状或椭球状的星团)中;在近邻的大小麦哲伦星系中也有发现。年轻的脉冲星具有较快的自转速度,比如蟹状星云中的脉冲星每秒钟会旋转约30圈。脉冲星通过旋转将自身动能转化成其它形式的能量,比如电磁波,向宇宙空间释放,并因此越转越慢,并在数千万年后由于自转太慢而不能发射电磁波。如果脉冲星存在物质吸积,如存在于双星系统中,伴星的物质可能就会受到脉冲星吸引而落向脉冲星。物质吸积同时给脉冲星带来了外界的能量,使得脉冲星自转速度的减慢率下降,甚至可以加速脉冲星的自转。毫秒脉冲星是自转周期30毫秒(也有定义为20毫秒)以下的脉冲星,就是物质吸积产生的。这样的外界能量注入可以使得脉冲星,尤其是毫秒脉冲星,能在甚至诞生百亿年后依然发射出电磁波并被探测到。 图1: 中间是脉冲星,围绕脉冲星运动的是它的伴星,一个小质量恒星。,可以看到恒星物质受脉冲星影响正在脱离,随后被脉冲星吸积或者向宇宙空间布散。图片来源:NASA。https://svs.gsfc./11215 球状星团分布在银河系的银晕上,有着高达到百亿年的演化历史;这使得在其中找到的脉冲星绝大多数也都是非常年老的毫秒脉冲星。银河系有一百多个球状星团,这些球状星团的恒星密度、年龄等特征不尽相同,各个球状星团中发现的脉冲星数量也有很大差别。迄今,已经在30个球状星团中发现了157颗脉冲星。其中名为Terzan 在球状星团脉冲星中,有很多极端的例子。比如,人类发现的自转最快的脉冲星,自转周期1.39毫秒,是球状星团中发现的。球状星团脉冲星往往存在一个小质量的伴星;脉冲星和伴星构成双星系统,互相绕转。有的脉冲星双星系统的轨道周期特别短,例如脉冲星J0024-7204R,其轨道周期只有1.58小时。有些脉冲星双星系统的伴星质量非常小,不足太阳质量的百分之十。有的脉冲双星系统还存在掩食的现象。 脉冲双星系统有多种类型,所谓“红背蜘蛛”系统(redback 图2. 红背蜘蛛(图片来源于网络) 红背蜘蛛和用来命名另外一种脉冲星双星系统的黑寡妇蜘蛛(black 我国自主设计建造的500米口径球面射电望远镜(FAST)是目前世界上灵敏度最高的单口径射电望远镜。自2016年落成以来,FAST一直在进行调试,并在2020年1月完成了国家验收,开始开放运行。 在调试过程中,FAST团队对一些球状星团进行了脉冲星观测,尝试搜寻其中的脉冲星。我们在2017年10月9日的数据中发现了一颗毫秒脉冲双星,称为M92A(或PSR 图3,M92A发现时的图片。其中左上角的波形表示的是脉冲星的信号形状,左下的灰度图显示了在观测的1800秒内都能观测到M92A的信号。中间的灰度图和下方的波形表现了信号的色散特征,是判断信号是否可能是脉冲星的重要依据。右侧表示了信号周期的变化情况。 观测表明,M92A自转周期为3.16毫秒,色散量(等价于以单位面积为底,源到地球距离为高的一个长方体中的电子数量)为 35.45 pc cm-3处于一个典型的“红背蜘蛛”系统中。M92A双星系统的轨道非常接近圆形,轨道周期约0.2天,轨道半径大约12万千米,伴星质量大约是0.18倍太阳质量,处于主序星向巨星演化阶段。观测数据中看到了长达轨道周期40%的掩食,并且偶尔在掩食开始前或者结束后的约1000秒时间内还会发生第二次掩食。较短的轨道周期和轨道半径及掩食特征表明,伴星物质正在被脉冲星吸积。图4作为示意图展示了这样一种“红背蜘蛛”系统。 图4,蓝色的是脉冲星,红色的是一个小质量恒星。可以看到恒星的物质被脉冲星吸积。而在双星轨道运动过程中,存在恒星遮挡脉冲星的情况,即有掩食发生。图片来源:NASA。https://svs.gsfc./10625 这一研究使得我们可以通过脉冲星来研究球状星团M92的演化,也为“红背蜘蛛”系统增加了新的样本。目前,这个脉冲星双星系统仍然有一些问题有待探索,例如,物质吸积速率是多少?这样的吸积是什么时候开始的?还能持续多久?这些问题的解答将为我们带来关于M92A演化的更多细节和故事。 不久的将来,随着基于FAST的观测和巡天的深入展开,我们很可能发现更多如“红背蜘蛛”系统这样的特殊的脉冲星和脉冲双星。 论文链接: https:///2020/04/17/pulsar-discovery-from-an-enormous-telescope/ 参考文献 [1] Pan et al. 2020, arXiv:2002.10337 |
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