咦!射電望遠鏡強勢捕捉脈衝星的小突變

2020-12-05 中國數字科技館

脈衝星是高速旋轉的中子星,但有時候,它們會突然增加自己的旋轉速率。這樣旋轉速率突變的現象被稱作脈衝星的自轉突變。我是記錄船帆座脈衝星(Vela pulsar)自轉突變團隊的其中一員,研究結果發表在今天的《自然》雜誌上。

約5-6%的脈衝星的自轉突變為我們所知,船帆座脈衝星(Vela pulsar)也許是其中最著名的了。它是一個處在極南端的星體,於1968年被科學家在澳大利亞發現,每秒的旋轉次數達11.2次。

這顆脈衝星距離我們1000光年,它的超新星時期發生在約11000年前,並且根據粗略的計算,每過三年,它會突然發生一次自轉加速。

這些速率的突增是無法預測的,並且我們從來沒能通過一臺口徑大到足以觀察單個脈衝星的射電望遠鏡成功發現它們的蹤跡。

想要了解自轉加速可能會是什麼樣的,首先,我們得知道是什麼形成了脈衝。

恆星坍塌

一個典型恆星在自己的生命末期,會發生三種變化的其中一種。

和我們太陽尺寸差不多的小質量恆星將僅僅像火一樣悄悄熄滅。

然而,如果這顆恆星足夠大,它將迎來自己的超新星時期。巨大的爆炸過後,遺留物質會發生坍塌。更有一些大的出奇的恆星,它們的逃逸速度遠超光速,這時,黑洞便誕生了。

不過,假如我們有一個足夠大到變成超新星,卻又遠不足以成為黑洞,就像是遵循金髮女郎(Goldilocks)效應(凡事有度,不超越極限)的恆星,我們便會得到中子星。

引力過強,以至於圍繞著原子軌道運行的電子們被迫進入原子核,隨後,它們與核內的質子結合形成中子。

這些星體被估計有著1.4倍的太陽質量,直徑達20千米。它們的密度驚人,僅僅一杯物質就和珠穆朗瑪峰差不多重。

它們的自轉速度也相當快(但隨著時間的推移會逐漸減慢),且擁有一個巨大的磁場,是地球的3萬億倍。電磁輻射從這個巨大旋轉磁鐵的兩端發出。

現在,如果這個旋轉磁鐵的磁極之一碰巧掠過地球,那麼每次旋轉時,我們會在無線電波(以及其他頻率)中看到短暫「閃光」,這被稱為一次脈衝信號。

搜尋自轉突變

2014年,我用塔斯馬尼亞大學(the University of Tasmania’s)的26米射電望遠鏡在Mount Pleasant的天文臺開始了一項嚴肅的觀察活動,目的在於實時捕捉船帆座脈衝星的自轉突變。

我以單日19個小時,每10秒生成一個640MB大小的文件的速率收集數據,這樣持續了差不多四年。結果是,超過3PB的數據(1PB相當於1百萬GB)被採集,處理與分析。

2016年12月12日,大約是晚上9:36,我的手機收到了一條簡訊,告訴我Vela經歷了頻率突增。我設置的自動進程並不完全可靠——無線電頻率幹擾被認為設定出錯。

所以我懷疑地登錄進去,重新運行了測試程序。這是真的!這種興奮難以置信,我徹夜未眠,一直在分析數據。

浮出水面的結果實在是出人意料,當突變發生,這顆脈衝星漏掉了一個節拍,它沒有脈衝現象。

在這個空缺前的脈衝信號是顯著而奇怪的,我從未看見或聽見過這樣的事情。

這兩個脈衝之後被證明沒有線性極化,這也是在Vela前所未聞的。這意味著這個突變影響了引導脈衝信號的強磁場。

在空值之後,一列的21個脈衝信號都提前到達,它們的時間方差也遠小於正常值,這也非常奇怪。

自轉突變的解釋

所以,是什麼導致了自轉突變呢?最受支持的假設是中子星有堅硬的地殼和一個超流體性的核心。外層地殼會減速,但超流體內核分離開進行旋轉,不會減速。

這是很通俗的解釋,真正發生的卻相當複雜,並且涉及微觀裡從地殼晶格分離出超流體漩渦這一概念。

大約三年後,核心與地殼的轉速差異越來越大,此時核心抓緊地殼,從而加速其運動。相關數據似乎表明這一加速過程需要約五秒。這是理論學家們預測的更快結果。

所有這些與其他的信息能夠幫助我們了解狀態化方程,在一個我們無法輕易在地球上建立的實驗室內研究物質在不同溫度與壓力狀態下的表現。

這也第一次為我們提供了看見中子星內部物質運作的機會。

作者簡介

Jim Palfreyman

塔斯馬尼亞大學,天文學博士研究生

翻譯:蔣靜;審校:潘燕婷

原文連結:https://theconversation.com/captured-radio-telescope-records-a-rare-glitch-in-a-pulsars-regular-pulsing-beat-94815

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