爱读书 探索 发现排名第二每秒自转707次的脉冲星,每10亿次才被探测到一次

发现排名第二每秒自转707次的脉冲星,每10亿次才被探测到一次

由马克斯·普朗克引力物理研究所领导的一个国际研究小组发现,射电脉冲星J0952-0607也发射脉冲伽马辐射。J0952-0607在一秒内自转707次,在快速旋转的中子星列表中排名第二。通过分析美国宇航局费米伽玛射线太空望远镜8.5年的数据,过去两年的LOFAR射电观测,两架大型光学望远镜的观测,以及LIGO探测器的引力波数据,该研究小组使用多信使方法详细研究了脉冲星及其轻量级伴星的双星系统,其研究发表在《天体物理学》期刊上。

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研究表明极端脉冲星系统隐藏在费米目录中,并激发了进一步的搜索。尽管分析非常广泛,但也提出了关于这个系统新的未回答问题。脉冲星是恒星爆炸的紧凑残余物,具有强大的磁场,并且快速旋转。它们像宇宙灯塔一样发射辐射,可以作为射电脉冲星和/或伽马射线脉冲星被观察到(这取决于它们朝向地球的方向)。PSR J0952-0607(该名称表示天空中的位置)于2017年首次被费米伽马射线空间望远镜确定为可能是脉冲星源的无线电观测发现。

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在费米大面积望远镜(LAT)数据中没有检测到伽马射线的脉冲。利用射电望远镜阵列LOFAR进行的观测确定了一个脉冲射电源,并与光学望远镜观测一起测量脉冲星的一些属性。它与一颗重量仅为太阳50倍的伴星在6.2小时内围绕质心运行。脉冲星在一秒钟内自转707次,因此在我们的银河系中,除了球状星团的密集恒星环境外,它的自转速度是最快的。利用这一关于双星脉冲星系统的先验信息,汉诺威AEI的博士生Lars Nieder着手研究脉冲星是否也发射脉冲伽马射线。

搜索极微弱的信号

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这项研究极具挑战性,因为费米伽马射线望远镜在8.5年的观测中只记录到了来自微弱脉冲星大约200条伽马射线。在这段时间里,脉冲星本身自转了2200亿次。换句话说,每十亿转就有一条伽马射线被观测到!对于这些伽马射线中的每一个,搜索必须准确确定其在每1.4毫秒旋转期间发射的时间。这需要以非常精细的分辨率梳理数据,以便不遗漏任何可能的信号。所需的计算能力非巨大,对微弱伽马射线脉冲非常敏感的搜索需要24年才能在单个计算机内核上完成。

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通过在汉诺威AEI使用Atlas计算机集群,它只用了两天就完成了。搜索发现了一个信号,但有些地方出了问题!信号非常微弱,并没有完全在它应该在的地方。原因是:我们对J0952-0607伽马射线的检测揭示了最初光学望远镜观测中的位置误差,研究人员用来瞄准所分析的,对伽马射线脉冲的发现揭示了这个误差。这个错误在报道射电脉冲星发现的出版物中得到了纠正。一项新的和扩展伽马射线搜索使得在修正位置发现了相当微弱,但在统计上意义重大的伽马射线脉冲星。

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在发现并确认脉冲星的脉冲伽马辐射存在后,该小组回到费米数据,并利用2008年8月至2017年1月的整整8.5年来确定脉冲星及其双星系统的物理参数。由于来自J0952-0607的伽马辐射如此微弱,必须加强先前开发的分析方法,以正确地包括所有未知数。导出的解决方案包含了另一个惊喜,因为在2011年7月之前的数据中不可能检测到脉冲星的伽马射线脉冲,至于为什么脉冲星似乎只在那个日期之后才显示脉动的原因尚不清楚。它发射的伽马射线数量变化可能是原因之一,但脉冲星是如此微弱,以至于不可能以足够的准确性来检验这一假设。

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在类似系统中观察到的脉冲星轨道的变化也可能提供一个解释,但在数据中甚至没有出现这种情况的暗示。该小组还利用位于拉西拉的ESO新技术望远镜和位于拉帕尔马的Gran Telescopio Canarias进行观测来检查脉冲星的伴星,这颗伴星很可能被潮汐锁定在脉冲星上,就像月球和地球一样,因此一侧总是面对脉冲星,并被其辐射加热。当伴星围绕双星系统的质心运行时,从地球上可以看到它的热“日”面和较冷的“夜”面,观察到的亮度和颜色也不同。这些观察创造了另一个谜团,虽然无线电观测指向到脉冲星的距离约为4400光年,但光学观测暗示的距离大约是脉冲星的三倍。

寻找连续的引力波

如果该系统相对靠近地球,它将拥有一个前所未有的极其小型的高密度伴星,而较大的距离与已知类似脉冲星伴星密度是兼容的。对这种差异的解释可能是脉冲星粒子风中的冲击波存在,这可能导致伴星的不同加热。更多的伽马射线观测和费米LAT观测应该有助于回答这个问题。汉诺威AEI的另一组研究人员使用第一次(O1)和第二次(O2)观测运行的LIGO数据,搜索脉冲星的连续引力波发射。当脉冲星有微小变化时,它们可以发射引力波。搜索没有检测到任何引力波,这意味着脉冲星形状必须非常接近一个完美的球体,最高的凸起不到一毫米。

快速旋转的中子星

理解快速旋转的脉冲星很重要,因为它们是极端物理的探测器。快中子星在脱离离心力之前如何自转未知,并且取决于未知的核物理。像J0952-0607这样的毫秒脉冲星之所以旋转得如此之快,是因为它们被同伴的物质吸积而旋转起来。这个过程被认为埋葬了脉冲星的磁场。

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通过长期的伽马射线观测,研究小组表明,J0952-0607是脉冲星有史以来测量到的十个最低磁场之一,这与理论上的预期一致。研究人员表示将继续用伽马射线、射电和光学天文台来研究这个系统,因为关于它还存在未回答的问题。这一发现也再次表明,极端脉冲星系统隐藏在费米LAT目录中,并有信心在未来做出更令人兴奋的发现。

博科园|研究/来自:马克斯·普朗克学会

参考期刊《天体物理学》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab357e

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