点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:球状星团中那些奇异的脉冲星
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

球状星团中那些奇异的脉冲星

来源:光明网2020-12-22 10:31

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  脉冲星是可以探测到周期性脉冲信号的中子星。脉冲星的观测研究,涉及脉冲星计时、致密物质状态方程、双星演化和引力波探测等诸多方面,在过去的几十年中给我们带来了无数新知识。

  500米口径球面射电望远镜(FAST)自建成以来,已经发现了超过240颗脉冲星。这是我们,中国人使用自己的大科学装置开展脉冲星搜寻而实现的系统性脉冲星发现。

球状星团中那些奇异的脉冲星

图1. FAST全景(图源:国家天文台)

  脉冲星是可以探测到周期性脉冲信号的中子星,主要产生于大质量恒星演化末期或吸积物质的白矮星产生的超新星爆发。迄今为止人类已经发现了超过3000颗脉冲星,其中大约有2800多颗在射电波段,也就是在如手机或无线网(wifi)的频段,可以探测到。

  在上世纪六十年代末开始的、脉冲星发现的最初几年里,我们普遍认为脉冲星刚诞生时其脉冲周期大约是30毫秒;随着它逐渐将自转动能转化为电磁波的能量向宇宙空间中发射,它的自转也逐步减慢——这也是我们今日看到的多数脉冲星脉冲周期在1秒左右的原因之一。

  1982年,Backer等人意外发现了一颗脉冲周期非常短的脉冲星,B1937+21。它的脉冲周期为1.558毫秒,远远短于刚诞生的脉冲星,被归为新的一类,叫做毫秒脉冲星。对于毫秒脉冲星的长期监测,我们认为这是脉冲星形成后有伴星的物质被它吸积。这样的吸积过程如果时间足够长、物质量足够多,完全可以将脉冲星加速使其有了更短的脉冲周期。

球状星团中那些奇异的脉冲星

图2. 发现第一颗毫秒脉冲星的文章(图源:Nature, 300, 615)

  物质吸积带来额外能量的同时,也减弱了脉冲星表面磁场,使脉冲星动能转化成电磁波释放的过程减慢,甚至百亿年后毫秒脉冲星依然可以被观测到。 根据目前天体物理的理解,一般定义脉冲周期短于20毫秒或者30毫秒的脉冲星为毫秒脉冲星。本文按照脉冲星研究中的惯例,采用30毫秒作为毫秒脉冲星的脉冲周期上限。图3为这些毫秒脉冲星的脉冲周期分布。

球状星团中那些奇异的脉冲星

图3. 毫秒脉冲星的周期分布(图源:作者,数据来自ATNF psrcat)

  在银河系范围内,脉冲星的分布是和恒星密度有关的。通常恒星多的地方,脉冲星也多。所以银道面上有大量脉冲星。脉冲星的另一个聚集地是球状星团。球状星团是具有百万颗小质量恒星的星团,对于其中的恒星质量分布分析表明其年龄长达百亿年。

球状星团中那些奇异的脉冲星

图4. 球状星团M13(图源:NASA)

  天文学家猜想,如果在球状星团形成初期存在大质量恒星,那么在演化过程中也会产生脉冲星和毫秒脉冲星;在百亿年之后,我们应该还能探测到其中的毫秒脉冲星。

  这个猜想在1987年得到证实——Lyne等人在球状星团M28中发现了一颗自转周期约3毫秒的脉冲星。现在发现的毫秒脉冲星约四百颗,不到脉冲星总数的15%。在所有毫秒脉冲星中,球状星团中的毫秒脉冲星有145颗。球状星团是个不折不扣的特殊脉冲星的聚集地。图5展示了目前的球状星团脉冲星发现情况,我们共在30个球状星团中发现了157颗脉冲星。

球状星团中那些奇异的脉冲星

图5. 根据公开信息统计得知,至今为止人类一共在30个球状星团中找到了157颗脉冲星。柱形图中蓝绿色区域表示脉冲双星的占比,土黄色区域表示孤立脉冲星的占比(图源:http://www.naic.edu/~pfreire/GCpsr.html)

  在这些“有脉冲星发现”的30个球状星团中,20个球状星团中发现了不止1颗脉冲星。由于脉冲星的名称是其赤道坐标,因此我们在脉冲星名称后加上ABCD这样的大写英文字母来区分同一个位置附近的多颗脉冲星,比如前面提到的M28中的脉冲星,称为B1821-24A或者M28A。

  随着望远镜灵敏度的提高,更多的发现使得26个大写英文字母也不够用了,因此我们在Z后,继而采用aa、ab这样的两个小写字母来编号。目前有脉冲星最多的两个球状星团,Terzan 5和杜鹃座47,分别有38颗和25颗脉冲星,都已经开始了两位小写英文字母的编号。

球状星团中那些奇异的脉冲星

图6. 球状星团Terzan 5中脉冲星的位置。背景是哈勃望远镜拍摄的Terzan 5的可见光照片。红色的图示表示脉冲星正在靠近我们,蓝色的图示表示脉冲星正在远离我们(图源:https://greenbankobservatory.org/terzan-5-pulsar-jackpot/)

  图6展示了Terzan 5中的脉冲星的位置和相对于我们的运动状态。Terzan5是个对于爱好者来说并不起眼的球状星团,它的亮度不到11等,和我们熟知的梅西叶星表中接近肉眼可见亮度的球状星团,比如M3,M13比起来,非常暗弱。天文学家观测却发现它具有异常高的中心恒星密度和星体作用率。这预示着其中可能存在大量的脉冲星,而观测正应证了这一点。

  Terzan5中的脉冲星发现,被戏称为球状脉冲星搜索中的彩票头奖,因为在此之前人类从未在一个特定的球状星团中发现如此之多的脉冲星;寥寥几次观测带来了几十颗毫秒脉冲星的发现,这样的惊喜无异于彩票的头奖。

  这份大奖中,有一个特别重要的发现:Terzan 5ad,目前为止脉冲周期最短的脉冲星,它的自转周期只有1.396毫秒,对中子星物态给出了很强的限制。这颗脉冲星位于一个轨道周期约1天的双星系统中,伴星的质量是太阳的0.16倍。

  由于轨道较短以及伴星可能已经演化到了红巨星阶段(具有较大的半径),通过观测还能看到伴星物质被脉冲星吸积带来的脉冲星脉冲周期的不规律变化。更幸运的是,由于这个双星系统的轨道面和我们视线方向的夹角较小,我们还能通过观测看到脉冲星的信号被伴星遮挡导致的掩食。

  毫秒脉冲星有比长周期脉冲星更加多样的脉冲轮廓,球状星团中的毫秒脉冲星也是如此。图7展示了另一个具有数十个脉冲星的球状星团,杜鹃座47中的25颗脉冲星的平均脉冲轮廓。这些脉冲轮廓反映了脉冲星自身的辐射特性。

  这些形形色色的脉冲轮廓让人觉得眼花缭乱、觉得陌生,如果将这些脉冲转换成直观的声音(JordrellBank, Cornell),感受就直观多了。

球状星团中那些奇异的脉冲星

图7. 球状星团杜鹃座47中已知的25颗脉冲星的平均脉冲轮廓。左上角是对应的脉冲星名称,右上角表示横轴的误差棒(图源:http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/staff/pfreire/47Tuc/)

  说到脉冲星信号转换出来的声音和旋律,不得不再次提起2020年中国科学院大学录取通知书中的CD。CD中包含的旋律全部来自于科研工作者们使用500米口径球面射电望远镜(FAST)发现的脉冲星。在被使用的15颗脉冲星信号中,包含了4颗FAST发现的球状星团中的脉冲星信号。

  如果看过完整视频的读者可能会发现其中包含了叫做M13F,M14A,M92A和NGC6517E这样四颗脉冲星。M13F和M92A的相关科学研究已经分别成文发表,而M14A和NGC6517E则是在这录取通知书中首次公开。

球状星团中那些奇异的脉冲星

图8. M92A的示意图(A)和计时观测结果(B)。伴星对脉冲星的掩食造成了计时观测结果中的空缺(图源:The Innovation, 1(3), 100053)

  我们相信凭借着我国科研人员的不懈努力和FAST空前的灵敏度,球状星团中能发现更多的奇异的脉冲星。

  参考文献:

  [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/

  作者简介:潘之辰,中国科学院国家天文台助理研究员。主要研究方向为脉冲星搜索和恒星形成。钱磊,中国科学院国家天文台副研究员。主要研究方向为射电天文,撰写多篇广受好评的科普文章。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 河南温县:持续做强铁棍山药产业

  • 山东荣成:鲍鱼南下“越冬”

独家策划

推荐阅读
全透明光伏发电玻璃可使玻璃幕墙建筑成为分布式光伏电站;新一代柔性太阳能电池阵,能为中国空间站提供电力保障。下一步,我们要高水平推进“中国碳谷”建设,形成创新合力,打通基础研究、技术攻关、产业孵化和品牌塑造全链条。
2026-11-11 09:27
国家卫生健康委、国家医保局、国家中医药局、国家疾控局共同制定印发《关于进一步做好创新药安全合理配备使用工作的通知》,满足群众多元化用药需求,提高疾病治疗效果,保障医疗质量安全。
2026-11-11 01:45
培育和发展新质生产力急需高质量创新人才。高校的独特之处,在于教育、科技、人才要素集聚,它处在科技第一生产力、人才第一资源、创新第一动力的结合点上,也承担着将三者统合起来的制度功能。
2026-11-11 01:45
与其说是AI解出了难题,不如说是人类在AI的协助下拓展了边界。这带来的不仅是解题速度的提升,更是一场深刻的科研范式之变。
2026-11-11 01:45
主动对接国家西部战略和甘肃现代产业体系建设
2026-11-11 01:45
“把技术真正用到生产线上,把产品的附加值提上去,为三峡库区的发展出一份力。”11月7日,重庆三峡医药高等专科学校青年教师黎春红,在重庆国际人才交流大会第四届重庆三峡人才节开幕式上的发言,道出了扎根库区青年人才的共同心声。
2026-11-11 01:45
2026文化科技产业发展论坛9日在湖南长沙开幕,在论坛现场,2026文化科技融合十大典型案例以及20个创新案例发布。
2026-11-10 01:40
访客随手拿起一张,掏出手机或用现场扫码器扫一扫二维码,技术亮点、应用场景、项目负责人信息等全部跃然眼前。厚重的专利卷宗、深奥的学术论文,就这样化作产业人士可以快速读懂的内容。
2026-11-10 01:40
镜头这边,是华东政法大学研支团的黄祖维、常秩豪、杨朗;镜头那头,是云南普洱景东华政附属三合麦地小学的小学生,和新疆喀什巴楚县第二中学的初高中生。500多个孩子,隔着屏幕看进博。这是华政研支团连续第五年开展“云端看进博”,3位讲师刚结束一年支教,曾站在这两处山乡讲台,如今是进博会的“小叶子”。
2026-11-10 02:00
事实上,这并不是镜片行业一次偶然的“乱”。这背后,是标准的缺失与监管模糊地带的长久存在。眼镜虽小,却关乎几亿人的明亮“视”界。近视防控镜片行业信任的“标尺”,不仅应尽快立起来,更要立得牢。
2026-11-10 01:40
那时,一封薄薄的书信从江苏昆山寄到钱七虎手中,寄信人叫李珍珍,一个还在读中学的女孩。她不是钱七虎的亲孙女,而是他在家乡昆山资助的第一个孩子。
2026-11-10 01:40
11月10日,第九届进博会将落下帷幕。25年前的11月10日,多哈的一声木槌宣告中国加入世界贸易组织。25年前,中国拥抱世界市场;25年后,世界共享中国市场。这个特殊的日子,标注出中国与世界关系的深刻变迁。
2026-11-10 02:00
美国国家航空航天局(NASA)近日确认,“尼尔·格雷尔斯·斯威夫特天文台”(以下简称“雨燕”)已于美国东部时间11月4日7时39分(北京时间4日20时39分),在印度尼西亚北苏门答腊地区上空再入地球大气层。NASA表示,10月20日,“雨燕”的轨道高度已下降至约275公里,无法再稳定维持科学观测所需的姿态,任务团队随后结束了其运行。
2026-11-09 10:11
携程研究院分析师方泽茜也用“花香自有蝶飞来”作出注解——入境“科技游”火热,正是中国制造与科技创新能力向外溢出,落到旅游消费的直接体现。在方泽茜看来,“科技游”为青少年搭建起连接知识与兴趣的桥梁,“社交打卡+文化沉浸”的科技场景,精准契合他们的偏好。
2026-11-09 10:11
大型邮轮被誉为造船工业“皇冠上的明珠”。继2023年11月“爱达·魔都号”华丽亮相,11月6日,第二艘国产大型邮轮“爱达·花城号”在上海交付,船型体量更大,配套设备更先进,船体也更加秀美。
2026-11-09 10:11
近日,产自宁夏银川市贺兰县盐碱水域的湖蟹经厦门中转,顺利运抵马来西亚吉隆坡国际机场。这是宁夏活蟹获得出口资质后的首单自营出口,宁夏盐碱特色水产品自此正式进入海外市场。
2026-11-09 10:10
”中国原子能科学研究院副研究员孙伟介绍,“日冕加热”问题不仅是当代天文学的未解之谜,也是国际研究的前沿热点问题之一。在实验室里摸清日冕的加热机制,有助于摸准太阳的“脾气”,进一步提升空间天气预报模型的准确度,为相关设备预留更充裕的防护时间。
2026-11-09 10:10
11月,在山东建筑大学,虽已回到校园,但建筑电气与智能化专业学生王凡的思绪却总回到千里之外的青海金银滩草原。今年夏天,他作为山东赴海北暑期交流实习队伍的一员,在青海海北藏族自治州海晏县应急管理局实习了两个月。
2026-11-06 09:49
11月5日,“雪龙2”号极地科考破冰船在海南三亚南山港科考码头进行停靠补给并举行公众开放日活动。图为“雪龙2”号极地科考破冰船。
2026-11-06 09:48
恒星的亮度并非恒定不变,有的会突然变亮,有的会骤然变暗,变化快的,几分钟内便完成一轮明暗变化。臧伟呈表示,这项巡天的初始科学目标,是用微引力透镜方法搜寻地球到火星质量级别的流浪行星。
2026-11-06 09:47
加载更多