这些小众的脉冲星可能有大作用

来源： 科技日报

脉冲星是大质量恒星死亡后的残骸，是宇宙中密度最高、磁场最强、自转最快、相对论效应显著的一类奇异天体，是研究宇宙极端环境中物理规律的理想“实验室”。脉冲星长期以来都是天文和物理的前沿研究领域，涉及引力波探测、精确验证广义相对论、限制极端物理条件下的物态方程、高精度时空基准建立等重要基本问题。

自1968年脉冲星被发现至今50余年，科学家已经发现3000多颗脉冲星，随着发现数量的增加，一些特殊种类的脉冲星开始进入人们的视线。自2018年500米口径球面射电望远镜（FAST）建成并开始进入到调试阶段，中国科学家利用该装置实现了脉冲星发现零的突破，目前已发现了数百颗新的脉冲星，其中也不乏一些特殊的种类。

毫秒脉冲星

目前已知的毫秒脉冲星约有400多颗，只占已发现脉冲星的约十分之一。正常脉冲星的自转周期大概在0.1秒到几秒左右，而毫秒脉冲星的自转周期在30毫秒以下。毫秒脉冲星与正常脉冲星形成历史也不一样。正常脉冲星通常相对年轻，年龄不到几百万年。毫秒脉冲星是一种非常古老，甚至可能是已经死亡的脉冲星，它在密近双星系统中通过吸积质量获得角动量使自转周期达到毫秒量级。目前的观测事实是超过三分之二的已知毫秒脉冲星在双星系统中。

毫秒脉冲星有着广泛的应用，最显著的是用于引力理论的检验。脉冲星周期具有长期稳定性，特别是毫秒脉冲星可以与地球上最好的原子钟相媲美。这些高度稳定的“时钟”分散在我们的银河系中，远离嘈杂的地球的扰动，对这些毫秒脉冲星的测时观测可以探测来自遥远星系的低频引力波，还可用于建立脉冲星时间和空间基准，对引力理论进行最严格的检验。

2021年5月，在GPPS（银道面脉冲星快照巡天）计划的第一批结果中就发现了40颗毫秒脉冲星，将已知毫秒脉冲星的数量增加了近10%。目前GPPS发现的毫秒脉冲星数目已经超过80颗，其中J1828+0021的自转周期仅1.47毫秒，是目前已发现毫秒脉冲星中自转周期第三短的。

脉冲双星

1974年，在美国马萨诸塞大学物理和天文系从事脉冲星巡天工作的拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了射电脉冲星J1913+16，由观测到的脉冲星的视向速度曲线证明它与另一颗致密星组成一个双星系统，故将其称为脉冲双星。爱因斯坦预言双星绕转会产生引力波，从而导致双星轨道变短。赫尔斯和泰勒通过对J1913+16进行长期的脉冲到达时间监测完美的证实了这一现象，提供了第一个无可辩驳的证据证明了引力波的存在。1993年，赫尔斯和泰勒因为此项工作获得了诺贝尔物理学奖。

目前科学家一直在寻找轨道周期更短、相对论效应更显著的脉冲双星系统，这些系统可以更加精确地限制引力理论。在GPPS的第一批成果中至少有14颗毫秒脉冲星位于密近双星系统中。

超高色散脉冲星

脉冲星不同频率的脉冲信号到达时间并不一样，高频到的早些，低频到的晚些，这种现象被称为脉冲星的色散。有一些特殊的脉冲星具有非常高的色散。这种色散现象究其原因，是因为星际介质中的热电子导致不同频率电磁波的传播速度不一样。因此对脉冲星色散的测量，可以反推出在其传播路径上电子密度的高低。

在GPPS巡天结果中，有11颗新发现脉冲星的色散量非常高，如果利用银河系电子密度模型估算脉冲星距离，这些脉冲星应该在银河之外。这说明在这些脉冲星所在的方向上银河系电子密度可能被严重低估了，这对目前通用的银河系电子密度模型提出了挑战。

模式变换脉冲星与消零脉冲星

脉冲星的脉冲轮廓会发生各种形状扭曲。在上世纪70年代，人们发现脉冲星PSR B1237+25的脉冲轮廓的变化时间更为持久，会从一个准稳定状态变为另一个准稳定状态，然后过一段时间又突然返回到原来的状态。这些不同的状态可以持续几个脉冲周期到几个月，这显然与“闪烁”现象不同，于是这类脉冲星被称为模式变换脉冲星。消零脉冲星是模式变换脉冲星中的一个特殊类型，它的脉冲轮廓会突然消失，之后又突然出现，有些神秘莫测。

王 陈 韩金林（据中国国家天文公众号）

标签： 毫秒脉冲星 双星系统 脉冲双星 相对论效应 星际介质

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