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剛剛，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星究竟是個(gè)啥？

出品：科普中國(guó)

制作：蕉葉

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）首次發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星得到國(guó)際認(rèn)證，這是 FAST 繼發(fā)現(xiàn)脈沖星之后的另一重要成果。這顆毫秒脈沖星J0318+0253的周期為5.19毫秒。

新發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星 PSR J0318+0253 位置和積分脈沖輪廓。（左圖）PSR J0318+0253所在伽馬射線巡天圖像的位置；（右圖a）FAST 一小時(shí)跟蹤觀測(cè)獲得的射電波段積分脈沖輪廓；（右圖b）折疊 Fermi-LAT 累積9年數(shù)據(jù)所獲得的伽馬光子積分脈沖輪廓。

啥是毫秒脈沖星？FAST之前找到的脈沖星又是啥？究竟還有多少我們不知道的脈沖星？

不了解脈沖星？戳這里補(bǔ)課：中國(guó)人第一次用自己的望遠(yuǎn)鏡找到新脈沖星！FAST首秀實(shí)力不俗！

三類脈沖星到底如何劃分？

望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)脈沖星進(jìn)行觀測(cè)，往往能收到周期性的脈沖信號(hào)。這也正是脈沖星名字的由來(lái)。而這個(gè)周期，就是脈沖星一個(gè)重要觀測(cè)參數(shù)。有人可能要搶答了：毫秒脈沖星就是周期是毫秒量級(jí)的脈沖星。然而，事情并沒有那么簡(jiǎn)單。

故事還是要從脈沖星的分類講起。雖然脈沖星的分類和它的周期有關(guān)，但并不只是單單依據(jù)周期進(jìn)行“一刀切”，而還要看周期變化率。

我們觀測(cè)到的脈沖星信號(hào)，雖然在短時(shí)間內(nèi)周期幾乎看不出變化，但如果分析長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們的周期是會(huì)變化的。而周期變化的快慢，即周期變化率，也是脈沖星一個(gè)重要的觀測(cè)量。

如果以脈沖星的周期為橫軸，周期變化率為縱軸，在二維圖上點(diǎn)出已知的脈沖星，那么將得到以下這么一張神奇的關(guān)系圖。

脈沖星“周期/周期變化率”關(guān)系圖。注意圖中橫軸使用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)，縱軸雖然是線性坐標(biāo)，但數(shù)值是取對(duì)數(shù)之后的。圖片來(lái)自《脈沖星天文學(xué)》（英文）一書。

大家可以看到，圖上的標(biāo)記大致分成了三塊。

中間主要由黑色點(diǎn)組成的一塊數(shù)量最多，我們有時(shí)統(tǒng)稱其為“正常脈沖星”，周期大概在0.5秒左右。周期變化率則說(shuō)明每隔一秒這些脈沖星的周期就會(huì)縮短大概10的-15次方秒。

右上角有少量空心三角形抱團(tuán)。觀測(cè)表明這些脈沖星的磁場(chǎng)比較強(qiáng)大，所以我們稱它們?yōu)椤?strong>磁星”。磁星的周期比正常脈沖星要長(zhǎng)一些，周期更不穩(wěn)定（周期變化率更大）。

左下角主要由帶圓圈黑點(diǎn)組成的一坨，就是今天的主角——毫秒脈沖星。這些脈沖星的周期大部分在10毫秒以下，同時(shí)它們的周期變化率比正常脈沖星小了約十萬(wàn)倍。

毫秒脈沖星是從正常脈沖星變來(lái)的？！

從上圖可以看到，如果單純以周期“一刀切”，那么有一小部分的正常脈沖星（主要是正常脈沖星左上角部分）也會(huì)被劃分到毫秒脈沖星里面。

覺得文字看的暈的直接看下圖。

三類脈沖星分布示意圖。

為啥要在意小部分正常脈沖星是否被錯(cuò)誤地劃分到毫秒脈沖星里面呢？

因?yàn)檫@兩者的性質(zhì)不一樣啊！

我們看到，圖上用了不用的符號(hào)來(lái)表示脈沖星。不用的符號(hào)代表了對(duì)應(yīng)的脈沖星帶有附加屬性。帶圓圈黑點(diǎn)是處于雙星系統(tǒng)中的脈沖星；五角星是和超新星遺跡挨在一起的脈沖星；空心三角是伽馬或X射線觀測(cè)到的脈沖星；實(shí)心三角是在射電波段沒有輻射的脈沖星。

這里只說(shuō)說(shuō)其中的兩類：雙星系統(tǒng)中的脈沖星，及與超新星遺跡一起的脈沖星。

仔細(xì)觀察脈沖星“周期/周期變化率”關(guān)系圖，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)那些與超新星遺跡在一起的脈沖星（五角星）都集中在正常脈沖星左上角。脈沖星誕生于超新星爆炸，而超新星遺跡就是爆炸遺留下來(lái)的氣體。著名的蟹狀星云就是一個(gè)超新星爆炸遺跡，而星云中間還有一顆著名的脈沖星，即蟹狀星云脈沖星。

為啥只有這么少量的脈沖星是待在超新星遺跡邊上的？答案是：這些都是些年輕的脈沖星。而當(dāng)脈沖星“長(zhǎng)大”（這里只是表示年齡變大，不是指體積、質(zhì)量變大）之后，就會(huì)離開“襁褓”了。一個(gè)著名的例子是吉他星云及其中的脈沖星。

編輯自海爾望遠(yuǎn)鏡于1992年拍攝的吉他星云圖片。圖片來(lái)源：http://www.astro.cornell.edu/~shami/guitar/

在吉他星云“琴頭”部位里藏有一顆脈沖星。一般認(rèn)為，這次超新星爆炸得不太均勻，使原本生成于“琴腹”中的脈沖星被炸飛了出去，慢慢地拉出現(xiàn)在看到類似吉他的星云形狀。由于這顆脈沖星被炸飛出去的速度很快，現(xiàn)在正以大約1600公里每秒的速度遠(yuǎn)離星云，所以如果每隔幾年去拍一張照片，能看出星云明顯被拉得更長(zhǎng)了。

哈勃望遠(yuǎn)鏡于不同年份拍攝的吉他星云，能明顯看出星云變長(zhǎng)了。注意，圖中背景恒星的位置是相對(duì)固定的，只有星云形狀變化。圖片來(lái)源：http://www.astro.cornell.edu/~shami/guitar/

所以，隨著時(shí)間的推移，很多脈沖星就遠(yuǎn)離了其原本所在的超新星遺跡。此外，根據(jù)能量守恒我們知道，脈沖星不可能一直輻射能量而不損失能量。脈沖星損失的正是它的自轉(zhuǎn)動(dòng)能。這將導(dǎo)致它的周期逐漸變短，進(jìn)而慢慢落入到正常脈沖星那一大團(tuán)黑點(diǎn)里面了。

如果故事繼續(xù)發(fā)展下去，脈沖星的自轉(zhuǎn)能量進(jìn)一步損失，那它在“周期/周期變化率”關(guān)系圖中的位置就會(huì)慢慢往右下角移動(dòng)，最終進(jìn)入右下角灰色三角區(qū)域——脈沖星“墳?zāi)埂眳^(qū)。進(jìn)入墳?zāi)怪?，脈沖星的輻射會(huì)變得時(shí)有時(shí)無(wú)，最終進(jìn)入墳?zāi)埂八廊ァ?，不再發(fā)出輻射。不過(guò)“墳?zāi)埂眳^(qū)僅僅只是理論研究結(jié)果，實(shí)際上也有“僵尸”脈沖星存在（處在墳?zāi)怪械匀话l(fā)出信號(hào)）。

FAST此前發(fā)現(xiàn)的脈沖星，都屬于“正常脈沖星”。其中有一顆比較靠近“墳?zāi)埂?，輻射時(shí)有時(shí)無(wú)，很多時(shí)候探測(cè)不到它的信號(hào)了。

有一部分脈沖星比較幸運(yùn)，它們邊上有另外一顆恒星。這就是雙星中的脈沖星。這些脈沖星，當(dāng)距離邊上的恒星足夠近時(shí)，可以通過(guò)吸收對(duì)方的物質(zhì)來(lái)“抵抗衰老”。在吸收物質(zhì)的過(guò)程中，這些脈沖星的自轉(zhuǎn)速度會(huì)越來(lái)越快，脈沖信號(hào)的周期隨著變短。它們的周期變化率也會(huì)變小，即周期更加穩(wěn)定。它們就這樣靠著他星的能量，慢慢地從“正常脈沖星”那一堆分布中朝左下角移動(dòng)，最終成為一顆毫秒脈沖星。

我知道大家看字又要看暈了，請(qǐng)看下圖總結(jié)：

正常情況下，脈沖星大致沿著帶箭頭紅色實(shí)線生老病死。小部分脈沖星靠著吸積伴星物質(zhì)，沿著帶箭頭紅色虛線發(fā)育成毫秒脈沖星。

脈沖星的分類，最終還和它們的演化階段有關(guān)系。這也是為什么我們說(shuō)不能單靠周期來(lái)劃分脈沖星類型的原因之一。

所以回到題目，這次發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星究竟是個(gè)啥？

答：是一類依靠吸積伴星物質(zhì)加速成為周期又短又穩(wěn)定的脈沖星。

呵~科學(xué)家們還真是嚴(yán)格呢！