螃蟹脉冲发生器的戏剧性增光，释放出的能量远远超出了x光所捕捉到的预想

Wsz6868 2021-04-17

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金牛座的距离地球6500光年的有名天体“螃蟹星云”中心高速旋转的星星“螃蟹脉冲发生器”发出各种各样的光，周期性地变亮“脉冲”。理化学研究所等国际研究小组发表的报告称，通过观测发现，脉冲中特别具有戏剧性的东西不仅发生在电波中，也发生在x射线中。查明了戏剧性的脉冲输出的能量远远大于以往的认识。作为与理解脉冲的结构、解开从宇宙远方传来神秘的强电波的现象等相关的成果而备受瞩目。

质量大的星星在一生结束后发生大爆炸的话，有时会残留超高密度的星星“中子星”。 1968年发现的螃蟹脉冲发生器也是其中之一，一边发出电波和x光等光，一边每秒自转30次。从地球来看，好像要发射脉冲一样，看起来会增加光量，因此被称为脉冲发生器。

用各种波长拍摄位于中心的“螃蟹星云”和“螃蟹脉冲发生器”合成的图像(由NASA提供)

对脉冲发生器发出光的结构还不太清楚。电波有时会比平时亮10~1000倍的现象“巨大电波脉冲”也还不清楚。脉冲发生器在电波和除此之外的光中发生的结构不同，所以一般认为这样戏剧性的增光只能通过电波发生。但是，2003年，在螃蟹脉冲发生器中发现了可见光与巨大电波脉冲一起变亮数%的现象。能量更大的x射线和伽马射线是否也会增光，一直受到研究者的关注。

从左侧开始依次是国际宇宙空间站的x光望远镜“奈瑟”、JAXA的64米射电望远镜、NICT的34米射电望远镜(由NASA、JAXA、NICT提供)

结果发现，在产生巨大电波脉冲的瞬间，x射线的脉冲会增加4%。即使只有4%，x射线的能量也远远大于电波。由此可知，脉冲发生器在产生巨大电波脉冲时，发出的能量比以往的认识高出了数百倍以上。

观测结果。 x光在产生巨大电波脉冲时(红线)比通常时(黑线)亮(理研提供)

据悉，围绕巨大电波脉冲的结构，有理论模型认为与高密度的等离子体有关等，今后有必要能够说明x线的增光。另外，有观点认为巨大电波脉冲是从宇宙远方瞬间传来强电波的神秘现象“高速电波突发”的真实身份，但通过这次的成果得知x射线的能量过大，变得难以说明。研究小组的理化学研究所的榎户辉扬小组组长在记者招待会上表示:“高速电波猝发的真实身份要多想想别的东西。” 最近得知，中子星的一种，具有非常强磁场的“磁星”会发生相似的现象，因而受到了有力的重视。我们的成果也与其一致。但是，也不排除是中子星以外的可能性，今后会变得有趣。” 研究组除了理研以外，还由东京大学、广岛大学、台湾国立彰化师范大学、JAXA、NICT、美国国家航空航天局( NASA )等组成。成果刊登在美国科学杂志《科学》上，时间9日。

相关链接

理化学研究所
東京大学宇宙線研究所
広島大学
國立彰化師範大學
宇宙航空研究開発機構
情報通信研究機構
アメリカ航空宇宙局

隐藏在宇宙灯塔“螃蟹脉冲发生器”中的x射线闪闪发光

- -成功检测到与巨大电波脉冲同步的x射线增光

理化学研究所(理研)开拓研究总部的榎户辉扬理研白眉研究小组组长、胡钦平客座研究员(国立彰化师范大学助教)、东京大学宇宙线研究所的寺泽敏夫名誉教授、浅野胜晃副教授、广岛大学的木坂将大助教、宇宙航空研究开发机构的村田泰宏副教授、信息通信研究机构的关户卫研究经理、美国航空航天局基思·詹多鲁NICER团队代表、扎本·亚美尼亚NICER团队共同代表等国际共同研究小组与高速自转的中子星[1]“螃蟹脉冲”[2]同步增长本研究成果在过去的20年中，即使多个小组挑战也未能完成，期待对宇宙远方发生的高速电波猝发( FRB ) [3]的起源和发生机理的阐明也做出贡献。特别是脉冲发生器，有时会产生戏剧性地变亮的GRP。一直以来认为这样的脉冲增光只能通过电波发生。但是，近年来，由于发现了与GRP同步的可见光脉冲稍有增光的现象，因此，在能量更高的x射线和伽马射线中是否也会发生同样的现象备受关注。此次，国际联合研究组将国际空间站搭载的美国航空航天局的x射线望远镜NICER[4]与日本的两个射电望远镜合作，从2017年开始持续对x射线和电波进行同时观测，结果在GRP产生的瞬间，x射线脉冲也将增加4%左右我们发现，这将释放出比GRP以往想象的更大的能量。本研究将在科学杂志《Science》( 4月9日号)刊登之前，刊登在在线版( 4月8日:日本时间4月9日)上

「かにパルサー」の巨大電波パルスに同期したX線増光の発見の図

发现了与“螃蟹脉冲发生器”的巨大电波脉冲同步的x射线增光

“背景如果大质量恒星在其一生结束后发生超新星爆炸[5]，就会留下黑洞和中子星。中子星中，半径约10km的物质被压入太阳质量的1.4倍，达到一个方糖体积( 1cm3)高达1亿吨的超高密度状态。中子星外侧有充满强磁场和等离子体的磁圈，从那里一边发射电波和x光，一边和磁圈一起以每转几毫秒到几十秒的高速自转。因此，当中子星的辐射指向地球时，可以观测到伴随自转的周期性脉冲。产生这种脉冲的中子星也叫做“脉冲发生器”，有时也被称为“宇宙灯塔”。金牛座的方向，距离地球约6500光年处美丽闪耀的“螃蟹星云”是1054年发生的超新星爆炸的遗迹，藤原定家的《明月记》中也记载了这一爆炸。星云中心存在着“安静脉冲发生器”，自1968年被发现以来，几乎在电波、可见光、x射线、伽马射线等电磁波的所有波长进行了观测(图1 )。

图1蟹星云啦脉冲发生器的多波长合成示意图(提供: NASA )

蟹星云啦脉冲星的照片。合成了x射线观测卫星钱德拉观测的x射线(蓝色)、哈勃太空望远镜观测的可见光(红色和黄色)、斯皮策太空望远镜观测的红外线(紫色)。 x射线中明亮的中心点源是安静的脉冲发生器，从那里向周边吹出了高能量的等离子体。

但是，暂时还不清楚脉冲发生器的辐射机理，周期性的电波脉冲偶尔会比平时亮10~1000倍左右的“巨大电波脉冲( GRP )”也是谜之一。根据玻-爱因斯坦的理论，要提高电波的强度就必须提高放射源的有效温度。如果将GRP的电波强度换算成温度的话，有时会达到1037K以上，超过现代物理能够处理的温度的上限(普朗克温度1032K )，所以用通常的辐射机制无法说明。在地球所在的银河系中发现了2,800个左右的脉冲发生器，其中只有十几个产生GRP。迄今为止，一般认为像GRP这样的脉冲增光现象只能通过电波发生。但是2003年，通过使用高速照相机，发现了与GRP同步的可见光脉冲只亮百分之几的现象，震惊了天文学家注1 )。之所以这么说，是因为在其发现之前，人们认为脉冲发生器的电波和其他波长(可见光、x射线、伽马射线)的辐射机制不同。因此，人们非常关注在能量更大的x射线和伽马射线中是否也能发现同样的增光。但是在过去的20年中，即使多个小组实施了大规模的观测项目，也没有确认到x射线和伽马射线的增光。

注1)希勒等:蟹状星云巨射电脉冲期间的增强光发射。科学，301(5632):493-5。(2003)

研究方法和成果探索与GRP同步的x射线和伽马射线最困难的一点是，迄今为止的望远镜无法收集到足够数量的x射线光子和伽马射线光子。以弄清中子星内部高密度物质的状态为目的，2017年设于国际空间站的美国航空航天局( NASA )新一代x射线望远镜Nicer ( Nicer )以其在优化观测中子星的能源领域前所未有的x射线聚光能力为荣，具有高时间分辨率，

图2国际空间站搭载的x射线望远镜NICER的照片(提供: NASA )

国际共同研究小组从2017年开始的2年左右内，联合x射线望远镜奈瑟和日本的两个电波望远镜(后述)，进行了共计15次以上的x射线和电波的国际同时观测，积累了迄今为止最大数量的x射线和电波的同时多波长数据。分析结果表明，x射线脉冲与GRP同步增光4%左右(图3 )。

如图3所示，脉冲发生器的脉冲波形和被检测出的x射线增光

上图: x射线望远镜奈瑟观测到的似然脉冲发生器的x射线脉冲波形(黑线)显示了两个周期。用蓝线表示同时观测检测到的巨大电波脉冲( GRP )发生的时间。在一个周期中，脉冲有主脉冲(脉冲相位为0附近)和间歇脉冲(脉冲相位为0.4附近)两种。下图:上图的主脉冲附近的放大图。黑线是通常时的x射线波形，红线是GRP发生时的脉冲。可以看出发生GRP的时候，虽然很少但是变亮了。虽然此次的x射线放大率和可见光一样很小，但是通过使用灵敏度比过去进行的x射线和伽马射线观测要高的奈瑟，首次检测成功了(图4 )。

图4与巨大电波脉冲( GRP )同步的可见光、x射线、伽马射线的放大率

在电波频带中的GRP的放大率用左上的粉红色线表示。 WHT和Hale是可见光、奈瑟、Chandra、Hitomi、Suzaku是x射线，除此之外是伽马射线的观测结果。可见光和惰性的值表示实际的检测值，除此之外表示上限值。另外，上部四边形中的相位表示脉冲相位。

x射线中的增光虽然很小，只有4%，但x射线释放的能量远远大于电波，由此可知，GRP产生时释放的能量比以往想象的要大几百倍以上。现在，作为GRP的放射机理，有以脉冲发生器磁圈内的高速等离子体的剧烈喷出等为起源的理论模型，今后需要能够说明x射线的增光。这次的发现，对于伴随等离子体喷出·电波放射的脉冲发生器中的高能粒子生成等也提供了新的见解。另外，本研究中使用的电波望远镜包括宇宙航空研究开发机构( JAXA )运用的臼田宇宙空间观测所(长野县佐久市)的64m电波望远镜( 64m抛物线天线)和信息通信研究机构( NICT )运用的鹿岛宇宙技术中心(茨城县鹿岛市)的鹿岛34m电波在用两个射电望远镜获取数据时，运用了JAXA和NICT共同开发的“宽带数字信号记录装置”，实现了高精度的数据接收。臼田64m电波望远镜还被用作宇宙探测器运用支援的核心，该记录装置也被用于小行星探测器“隼鸟2号”的轨道决定。另外，鹿岛34m射电望远镜一直被用作射电天文学的重要观测装置，但由于2019年的台风15号遭受巨大损失，停止了运用。因此，本研究成为鹿岛34m射电望远镜最后留下的宝贵成果之一。

鹿島の34m電波望遠鏡（左、提供：NICT）と臼田の64m電波望遠鏡（提供：JAXA）の図

图5鹿岛的34m射电望远镜(左，提供: NICT )和臼田的64m射电望远镜(提供: JAXA )

图6 X射线望远镜奈瑟和鹿岛以及臼田的电波望远镜同时观测的情况 ( credit :马上，图像无需申请就可以自由使用)

今后的期待此次发现对于解开在宇宙远方发生的神秘高速电波猝发( FRB )也是重要的见解。高速射电爆是天文学历史上久违发现的新物种天体现象，是这几年天文学最受关注的主题之一。由于GRP是与FRB相似的现象，因此一直被认为是解释FRB的理论模型之一。但是这次，由于明确了GRP会用x射线释放比以往想象的能量还要巨大的能量，所以我们知道了用单纯的GRP模型很难解释FRB。另一方面，中子星的一种，宇宙中磁场最强的超强磁场中子星(磁星)的猝发活动，作为FRB的候选人越来越有实力。在通过电波和x射线的多波长观测调查年轻活跃的磁铁产生的GRP方面，本成果将提供重要的见解。

今后的期待这次的发现是在宇宙远方发生的神秘高速电波突发( FR补充说明) 1 .中子星比太阳还重的星星，在迎来其寿命时，会引起超新星爆炸。一方面星星的外侧部分被炸飞，另一方面其中心部分爆炸，成为中子星。它是质量和太阳差不多，半径10公里左右的高密度天体，具有很强的磁场。随着自转，观测到周期性电磁波的脉冲辐射时，被称为脉冲发生器。 2 .巨大电波脉冲( GRP ) 周期性观测到的电波脉冲有时会使其电波强度变亮几位数以上的现象。除了什么脉冲发生器之外，还有一些脉冲发生器检测到的电波猝发现象。虽然具有与通常的脉冲不同的观测特征，但是还有很多不明白的地方。 GRP是Giant Radio Pulse的缩写。 3 .高速电波突发( FRB ) 突然，从宇宙的一个方向发出1毫秒左右的强电波的现象。我们知道是从我们居住的银河外的宇宙论距离来的。由于电波极其明亮，不知道其起源，成为近年来天文学中的热门研究对象。据报道，其中一些猝发现象重复发生在同一天体上，有些母银河已被鉴定。 2020年，从银河系内超强磁场的中子星(磁星)检测出了类似于高速射电暴的电波辐射。 FRB是快速射频的缩写。 4.X射线望远镜NICER 2017年搭载于国际空间站的大面积x射线望远镜。用于以精密测量中子星的质量和半径，观测性地解释超高密度中子星内部物质的状态(状态方程式)为目标的项目。由56个x射线望远镜组合而成(轨道上有52个在运转)，在1.5keV附近拥有历史最高的1，900 cm2的有效面积，具有很高的聚光能力。 NICER是Neutron Star Interior composition explorer的缩写，读作NICER。 5 .超新星爆炸质量大的恒星耗尽星球内部的核聚变反应燃料，引起重力崩溃后崩溃，就会发生超新星爆炸。超新星不仅在可见光中明亮地闪耀，还进行了多波长的观测，直到x射线和电波，超新星SN1987A中也检测到了超新星中微子。超新星爆炸后，有时会留下中子星和黑洞，周围会形成超新星残骸。

国际联合研究小组理化学研究所榎户极限自然现象理研白眉研究小组理研白眉队队长榎户辉扬客座研究员胡钦平(胡钦平，胡钦评) (国立彰化师范大学助教) 东京大学宇宙线研究所名誉教授寺泽敏夫准教授浅野胜晃广岛大学研究生院先进理工类科学研究科助教木坂将大航天研究开发机构航天科学研究所航天物理学研究系准教授村田泰宏信息和通信研究机构电磁波研究所电磁波标准研究中心时空标准研究室研究经理关口卫美国航空航天局戈达德太空飞行中心 NICER队代表凯斯·詹德鲁( Keith C. Gendreau ) NICER队共同代表扎本·亚美尼亚( Zaven Arzoumanian ) 另外31人

国际联合研究小组理化学研究所榎户极限自然现象理研白眉研究小组理研白眉队队长榎户辉扬客座研究员胡钦平(胡钦平，胡钦评) (国立彰化师范大学助教) 研究支援本研究由理化学研究所的理研白眉制度、京都大学的白眉项目、日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金新学术领域研究“与超高时间分辨率大统计x射线任务NICER的国际合作进行的中子星观测(研究代表:榎户辉扬)”、该基础研究( b )“阐明中子星种族的多样性和产生该物种的中子星磁圈多样性波动性的起源(研究代表:柴田晋平)”、东北大学PPARC联合研究“与大面积x射线望远镜NICER合作进行的电波-X射线的脉冲发生器同时观测(研究代表:榎户辉扬)” 原论文信息eruaki Enoto, Toshio Terasawa, Shota Kisaka, Chin-Ping Hu, Sebastien Guillot, Natalia Lewandowska, Christian Malacaria, Paul S. Ray, Wynn C.G. Ho, Alice K. Harding, Takashi Okajima, Zaven Arzoumanian, Keith C. Gendreau, Zorawar Wadiasingh, Craig B. Markwardt, Yang Soong, Steve Kenyon, Slavko Bogdanov, Walid A. Majid, Tolga Guver, Gaurava K. Jaisawal, Rick Foster, Yasuhiro Murata, Hiroshi Takeuchi, Kazuhiro Takefuji, Mamoru Sekido, Yoshinori Yonekura, Hiroaki Misawa, Fuminori Tsuchiya, Takahiko Aoki, Munetoshi Tokumaru, Mareki Honma, Osamu Kameya, Tomoaki Oyama, Katsuaki Asano, Shinpei Shibata and Shuta J. Tanaka, "Enhanced X-ray Emission Coinciding with Giant Radio Pulses from the Crab Pulsar", Science, 10.1126/science.abd4659 新規タブで開きます