球狀星團中那些奇異的脈衝星
2020-12-22 光明網脈衝星是可以探測到周期性脈衝信號的中子星。脈衝星的觀測研究，涉及脈衝星計時、緻密物質狀態方程、雙星演化和引力波探測等諸多方面，在過去的幾十年中給我們帶來了無數新知識。
500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)自建成以來，已經發現了超過240顆脈衝星。這是我們，中國人使用自己的大科學裝置開展脈衝星搜尋而實現的系統性脈衝星發現。
圖1. FAST全景（圖源：國家天文臺）
脈衝星是可以探測到周期性脈衝信號的中子星，主要產生於大質量恆星演化末期或吸積物質的白矮星產生的超新星爆發。迄今為止人類已經發現了超過3000顆脈衝星，其中大約有2800多顆在射電波段，也就是在如手機或無線網（wifi）的頻段，可以探測到。
在上世紀六十年代末開始的、脈衝星發現的最初幾年裡，我們普遍認為脈衝星剛誕生時其脈衝周期大約是30毫秒；隨著它逐漸將自轉動能轉化為電磁波的能量向宇宙空間中發射，它的自轉也逐步減慢——這也是我們今日看到的多數脈衝星脈衝周期在1秒左右的原因之一。
1982年，Backer等人意外發現了一顆脈衝周期非常短的脈衝星，B1937+21。它的脈衝周期為1.558毫秒，遠遠短於剛誕生的脈衝星，被歸為新的一類，叫做毫秒脈衝星。對於毫秒脈衝星的長期監測，我們認為這是脈衝星形成後有伴星的物質被它吸積。這樣的吸積過程如果時間足夠長、物質量足夠多，完全可以將脈衝星加速使其有了更短的脈衝周期。
圖2. 發現第一顆毫秒脈衝星的文章（圖源：Nature, 300, 615）
物質吸積帶來額外能量的同時，也減弱了脈衝星表面磁場，使脈衝星動能轉化成電磁波釋放的過程減慢，甚至百億年後毫秒脈衝星依然可以被觀測到。 根據目前天體物理的理解，一般定義脈衝周期短於20毫秒或者30毫秒的脈衝星為毫秒脈衝星。本文按照脈衝星研究中的慣例，採用30毫秒作為毫秒脈衝星的脈衝周期上限。圖3為這些毫秒脈衝星的脈衝周期分布。
圖3. 毫秒脈衝星的周期分布（圖源：作者，數據來自ATNF psrcat） 在銀河系範圍內，脈衝星的分布是和恆星密度有關的。通常恆星多的地方，脈衝星也多。所以銀道面上有大量脈衝星。脈衝星的另一個聚集地是球狀星團。球狀星團是具有百萬顆小質量恆星的星團，對於其中的恆星質量分布分析表明其年齡長達百億年。
圖4. 球狀星團M13（圖源：NASA）
天文學家猜想，如果在球狀星團形成初期存在大質量恆星，那麼在演化過程中也會產生脈衝星和毫秒脈衝星；在百億年之後，我們應該還能探測到其中的毫秒脈衝星。
這個猜想在1987年得到證實——Lyne等人在球狀星團M28中發現了一顆自轉周期約3毫秒的脈衝星。現在發現的毫秒脈衝星約四百顆，不到脈衝星總數的15%。在所有毫秒脈衝星中，球狀星團中的毫秒脈衝星有145顆。球狀星團是個不折不扣的特殊脈衝星的聚集地。圖5展示了目前的球狀星團脈衝星發現情況，我們共在30個球狀星團中發現了157顆脈衝星。
圖5. 根據公開信息統計得知，至今為止人類一共在30個球狀星團中找到了157顆脈衝星。柱形圖中藍綠色區域表示脈衝雙星的佔比，土黃色區域表示孤立脈衝星的佔比（圖源：http://www.naic.edu/~pfreire/GCpsr.html）
在這些「有脈衝星發現」的30個球狀星團中，20個球狀星團中發現了不止1顆脈衝星。由於脈衝星的名稱是其赤道坐標，因此我們在脈衝星名稱後加上ABCD這樣的大寫英文字母來區分同一個位置附近的多顆脈衝星，比如前面提到的M28中的脈衝星，稱為B1821-24A或者M28A。
隨著望遠鏡靈敏度的提高，更多的發現使得26個大寫英文字母也不夠用了，因此我們在Z後，繼而採用aa、ab這樣的兩個小寫字母來編號。目前有脈衝星最多的兩個球狀星團，Terzan 5和杜鵑座47，分別有38顆和25顆脈衝星，都已經開始了兩位小寫英文字母的編號。
圖6. 球狀星團Terzan 5中脈衝星的位置。背景是哈勃望遠鏡拍攝的Terzan 5的可見光照片。紅色的圖示表示脈衝星正在靠近我們，藍色的圖示表示脈衝星正在遠離我們（圖源：https://greenbankobservatory.org/terzan-5-pulsar-jackpot/）
圖6展示了Terzan 5中的脈衝星的位置和相對於我們的運動狀態。Terzan5是個對於愛好者來說並不起眼的球狀星團，它的亮度不到11等，和我們熟知的梅西葉星表中接近肉眼可見亮度的球狀星團，比如M3，M13比起來，非常暗弱。天文學家觀測卻發現它具有異常高的中心恆星密度和星體作用率。這預示著其中可能存在大量的脈衝星，而觀測正應證了這一點。
Terzan5中的脈衝星發現，被戲稱為球狀脈衝星搜索中的彩票頭獎，因為在此之前人類從未在一個特定的球狀星團中發現如此之多的脈衝星；寥寥幾次觀測帶來了幾十顆毫秒脈衝星的發現，這樣的驚喜無異於彩票的頭獎。
這份大獎中，有一個特別重要的發現：Terzan 5ad，目前為止脈衝周期最短的脈衝星，它的自轉周期只有1.396毫秒，對中子星物態給出了很強的限制。這顆脈衝星位於一個軌道周期約1天的雙星系統中，伴星的質量是太陽的0.16倍。
由於軌道較短以及伴星可能已經演化到了紅巨星階段（具有較大的半徑），通過觀測還能看到伴星物質被脈衝星吸積帶來的脈衝星脈衝周期的不規律變化。更幸運的是，由於這個雙星系統的軌道面和我們視線方向的夾角較小，我們還能通過觀測看到脈衝星的信號被伴星遮擋導致的掩食。
毫秒脈衝星有比長周期脈衝星更加多樣的脈衝輪廓，球狀星團中的毫秒脈衝星也是如此。圖7展示了另一個具有數十個脈衝星的球狀星團，杜鵑座47中的25顆脈衝星的平均脈衝輪廓。這些脈衝輪廓反映了脈衝星自身的輻射特性。
這些形形色色的脈衝輪廓讓人覺得眼花繚亂、覺得陌生，如果將這些脈衝轉換成直觀的聲音(JordrellBank, Cornell)，感受就直觀多了。
圖7. 球狀星團杜鵑座47中已知的25顆脈衝星的平均脈衝輪廓。左上角是對應的脈衝星名稱，右上角表示橫軸的誤差棒（圖源：http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/staff/pfreire/47Tuc/）
說到脈衝星信號轉換出來的聲音和旋律，不得不再次提起2020年中國科學院大學錄取通知書中的CD。CD中包含的旋律全部來自於科研工作者們使用500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）發現的脈衝星。在被使用的15顆脈衝星信號中，包含了4顆FAST發現的球狀星團中的脈衝星信號。
如果看過完整視頻的讀者可能會發現其中包含了叫做M13F，M14A，M92A和NGC6517E這樣四顆脈衝星。M13F和M92A的相關科學研究已經分別成文發表，而M14A和NGC6517E則是在這錄取通知書中首次公開。
圖8. M92A的示意圖（A）和計時觀測結果（B）。伴星對脈衝星的掩食造成了計時觀測結果中的空缺（圖源：The Innovation, 1(3), 100053）
我們相信憑藉著我國科研人員的不懈努力和FAST空前的靈敏度，球狀星團中能發現更多的奇異的脈衝星。
參考文獻：
[1] Backer D. C., Kulkarni S. R.,Heiles C., et al., 1982, Nature, 300, 615B
[2] Lyne A. G., Brinklow A.,Middleditch J., et al., 1987, Nature, 328, 399L
[3] ATNF psrcat pulsar catalog: https://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/psrcat/
[4] 47 Tucanae Pulsar Catalog: http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/staff/pfreire/47Tuc/
[5] Globular Pulsar Catalog: http://www.naic.edu/~pfreire/GCpsr.html
[6] Pulsar Jackpot: https://greenbankobservatory.org/terzan-5-pulsar-jackpot/
作者簡介：潘之辰，中國科學院國家天文臺助理研究員。主要研究方向為脈衝星搜索和恆星形成。錢磊，中國科學院國家天文臺副研究員。主要研究方向為射電天文，撰寫多篇廣受好評的科普文章。
來源： 光明網
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