中國(guó)天眼重磅發(fā)現(xiàn)：捕捉到脈沖星的消零！一文了解這次到底多厲害

在浩瀚宇宙中，脈沖星常被譽(yù)為宇宙燈塔，它靠著穩(wěn)定自轉(zhuǎn)精準(zhǔn)的向宇宙發(fā)射周期性射電信號(hào)。

但有一類(lèi)特殊脈沖星卻像神秘的信號(hào)幽靈，它們絕大多數(shù)時(shí)間都在宇宙中保持沉默，只是會(huì)偶爾蹦出幾個(gè)幾毫秒長(zhǎng)的微弱脈沖，這被稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)矗≧RAT）。

這類(lèi)天體最早在2006年被首次發(fā)現(xiàn)，截至目前天文學(xué)家僅發(fā)現(xiàn)了150多顆，我們對(duì)它們的本質(zhì)和演化始終缺乏完整的認(rèn)知。

而最近，我國(guó)天文學(xué)家借助天眼FAST，揭開(kāi)了這類(lèi)幽靈天體的核心秘密，找到了從消零脈沖星向旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)囱莼年P(guān)鍵中間態(tài)樣本。

（消零脈沖星是普通脈沖星中一類(lèi)會(huì)突然斷更輻射的特殊一類(lèi)，可以把正常脈沖星理解成宇宙里持續(xù)亮燈的旋轉(zhuǎn)燈塔，每轉(zhuǎn)一圈就穩(wěn)定向地球掃過(guò)一次射電信號(hào)；而消零脈沖星，就是這座燈塔會(huì)毫無(wú)征兆地突然熄滅，持續(xù)幾個(gè)自轉(zhuǎn)周期、幾小時(shí)甚至幾天后，又突然恢復(fù)正常發(fā)光，這種亮-滅-亮的切換行為，就叫脈沖消零。）

相關(guān)研究已于26年3月25日發(fā)表在預(yù)印本平臺(tái)。

這次研究的主角是編號(hào)為RRAT J1541+4703的天體，2023年由加拿大CHIME望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)。

此前天文學(xué)家僅能確定它的基礎(chǔ)參數(shù)：自轉(zhuǎn)一周約0.2777秒，特征年齡約2100萬(wàn)年，比典型脈沖星更年老；表面磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)2440億高斯，遠(yuǎn)超普通脈沖星。

但受限于望遠(yuǎn)鏡的靈敏度，此前79小時(shí)的觀測(cè)僅捕捉到639個(gè)脈沖，平均每小時(shí)僅能記錄到約8個(gè)信號(hào)，它更多的輻射細(xì)節(jié)始終藏在宇宙背景噪音里。

為了看清這個(gè)幽靈天體的真面目，貴州師范大學(xué)領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，用FAST在1250MHz中心頻段對(duì)它開(kāi)展了7次精準(zhǔn)觀測(cè)，最長(zhǎng)一次連續(xù)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到130分鐘。

靠著FAST超高的探測(cè)靈敏度，團(tuán)隊(duì)終于捕捉到了它前所未見(jiàn)的輻射細(xì)節(jié)，刷新了天文學(xué)家對(duì)這類(lèi)天體的認(rèn)知。

最核心的發(fā)現(xiàn)是這個(gè)天體有著截然不同的雙重輻射人格。

科研團(tuán)隊(duì)確認(rèn)，它約98%的時(shí)間都處于典型的旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)矗≧RAT）幽靈模式：RRAT狀態(tài)下的空脈沖占比超過(guò)95%，最高可達(dá)99.8%，相當(dāng)于1000次自轉(zhuǎn)里，僅有2次能發(fā)出可探測(cè)的窄脈沖，其余時(shí)間完全沉默。

而剩下2%的時(shí)間里，它會(huì)突然切換成普通脈沖星的燈塔模式，連續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)出更寬更強(qiáng)的脈沖。

這種活躍狀態(tài)最短僅持續(xù)21個(gè)自轉(zhuǎn)周期，最長(zhǎng)也只有170個(gè)周期，就像沉睡的燈塔短暫點(diǎn)亮，又迅速歸于沉寂，同時(shí)正常脈沖星狀態(tài)下也存在明顯的消零行為。

更關(guān)鍵的是，這兩種模式的輻射來(lái)自完全不同的物理環(huán)境。

科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，兩種狀態(tài)的積分脈沖輪廓、偏振特性存在顯著差異：RRAT狀態(tài)的脈沖更窄，峰值集中在脈沖輪廓的尾部。

而燈塔模式的脈沖更寬，峰值分布在整個(gè)輻射窗口，兩種狀態(tài)的平均偏振角相差90度。

這說(shuō)明，它們的輻射來(lái)自中子星磁層中完全不同的發(fā)射高度和結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)著兩套截然不同的磁層物理過(guò)程。

不僅如此，在短暫的燈塔模式里，它還存在獨(dú)特的模式切換行為，會(huì)在正常模式和異常模式之間反復(fù)轉(zhuǎn)換。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，正常脈沖星狀態(tài)中，該天體約44%的時(shí)間處于正常模式，脈沖的前向峰值非常突出；約39%的時(shí)間處于異常模式，前向峰值幾乎完全消失。

而且這種異常模式絕大多數(shù)都出現(xiàn)在正常脈沖星狀態(tài)的起始和結(jié)束階段，就像它切換輻射狀態(tài)時(shí)，信號(hào)會(huì)先卡頓一下再進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)光，結(jié)束前又再次卡頓，才回歸沉默的幽靈狀態(tài)。

這次觀測(cè)還有個(gè)重磅收獲：靠著FAST的超高靈敏度，團(tuán)隊(duì)在觀測(cè)中最高每小時(shí)捕捉到了589個(gè)脈沖，是此前觀測(cè)值的近74倍，這也讓它成為目前已知脈沖率最高的旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)础?/strong>

這一結(jié)果同時(shí)說(shuō)明，此前大量旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)吹拿}沖數(shù)量被嚴(yán)重低估，很多看似沉默的自轉(zhuǎn)周期里，其實(shí)藏著傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡無(wú)法捕捉的微弱脈沖。

在天文學(xué)界，一直有一個(gè)核心猜想：旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)幢举|(zhì)上是脈沖星的晚年形態(tài)。

隨著脈沖星逐漸衰老，磁層內(nèi)的粒子對(duì)產(chǎn)生過(guò)程越來(lái)越不穩(wěn)定，脈沖的消零占比越來(lái)越高，最終從穩(wěn)定的消零脈沖星，演變?yōu)閹缀跬耆聊男D(zhuǎn)射電瞬變?cè)础?/p>

而RRAT J1541+4703，剛好卡在這個(gè)演化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，它既能穩(wěn)定發(fā)出普通脈沖星的連續(xù)信號(hào)，又在絕大多數(shù)時(shí)間處于旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)礌顟B(tài)，完美印證了這個(gè)演化猜想；而它的異常模式，很可能就是從正常脈沖星狀態(tài)向旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)礌顟B(tài)過(guò)渡的臨界中間階段。

值得一提的是，這項(xiàng)研究還有一個(gè)挑戰(zhàn)現(xiàn)有理論的發(fā)現(xiàn)：按照傳統(tǒng)演化模型，高消零占比的旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)磻?yīng)該處于脈沖星死亡谷區(qū)域，但RRAT J1541+4703卻位于死亡谷之外，這讓天文學(xué)家不得不重新審視脈沖星的晚年演化路徑。

這次發(fā)現(xiàn)，不僅補(bǔ)上了消零脈沖星向旋轉(zhuǎn)射電瞬變?cè)囱莼湕l上的關(guān)鍵一環(huán)，也讓我們對(duì)中子星磁層的極端物理過(guò)程有了全新認(rèn)知，而這，正是我國(guó)天眼不斷帶給我們的宇宙驚喜。