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天文學家發現脈沖星自轉狀態突變導致星風雲亮度變化
2019-08-22|文章来源:粒子天体物理中心 |【
 

  中科院高能物理研究所葛明玉、卢方军带领的国际合作研究小组发现位于大麦哲伦星云星系中的脉冲星PSR B0540-69在自转减速率突然增加之后的一年多时间里,其星风云的X射线亮度逐渐增亮了相当的比例。这是天文学家第一次观测到脉冲星自转状态突变导致脉冲星风云亮度变化的现象,为研究脉冲星自转减速机制、脉冲星磁场结构以及脉冲星风云的基本物理性质提供了重要的观测依据。相关结果于北京时间8月26日在《Nature Astronomy》(自然·天文学)在线发表。

  脈沖星是高速轉動的強磁場中子星,是大質量恒星壽命晚期發生超新星爆發的過程中形成的,其半徑只有10千米左右,而典型磁場約爲一萬億高斯,相當于地球磁場的兩萬億倍。根據脈沖星經典輻射理論,高速自轉的脈沖星通過磁偶極輻射釋放能量,同時自轉減慢;但越來越多的理論家認爲,高速旋轉的磁場也會産生以接近光速向外運動的星風,這是導致脈沖星自轉減慢的主要原因。脈沖星風和周圍環境作用,會形成空間尺度爲幾光年(地球到太陽距離的十萬倍左右)的脈沖星風雲(見圖1)。著名的蟹狀星雲就是這樣一個脈沖星風雲。

  2011年12月,天文学家发现脉冲星PSR B0540-69的自转减速率突然增加了约36%,然后保持稳定,这说明其自转能释放功率也增加了36%。此前,在多颗脉冲星中也观测到了这类脉冲星自转减速率突变的现象,它们同时伴随着脉冲星脉冲辐射轮廓和流强的变化。由于脉冲轮廓和磁场结构直接相关,因此这些自转减速率突变被认为是脉冲星磁场结构的变化引起的;但是与那些脉冲星不同,PSR B0540-69在自转减速率突变后,并没有表现出X射线辐射特征(脉冲流强和轮廓)的显著变化,其起因成为了未解之谜。

  通过分析多颗X射线天文卫星对PSR B0540-69的观测数据,葛明玉等人发现,在该脉冲星发生自转减慢速率转换之后,围绕在其周围的脉冲星风云的亮度在约400天内逐渐增加了32±8%,与该脉冲星自转减速率的突变幅度相当(见图2)。对比分析PSR B0540-69脉冲辐射和星风云辐射的特性,研究组认为,导致脉冲星自转减慢率突变的主要原因是脉冲星磁极区域的磁场升高。由于磁极区域磁场的变化和星风的强度直接相关,但对X射线脉冲辐射区的影响不大,因此可以合理地解释所有的观测现象。

  本工作首次在觀測上建立了從脈沖星自轉減速率突變,星風增強到星風雲變亮的時間和邏輯關系,也證明星風是導致該脈沖星自轉變慢的主要原因。星風雲增亮的時標還表明星風雲中的磁場爲約0.8毫高斯,這個直接測量值與之前在能量均分假設下推算的數值相當。葛明玉爲本研究論文的第一作者,盧方軍、葛明玉爲論文聯合通訊作者。參加本研究的還有安徽建築大學闫林麗博士,南京師範大學翁山杉博士,高能所張雙南研究員、王靈俊博士和研究生張偉,美國麻省大學王青德教授以及河北工程大學李子健博士。

  本项目研究得到国家重点研发计划大科学装置专项、国家自然科学基金委员会以及中國科學院-国家自然科学基金委员会空间科学联合基金的支持。

圖1:脈沖星及脈沖星風雲系統的示意圖,中間的橙色部分代表脈沖星(僅爲示意繪制,天體大小不反映實際比例)。(圖片來源:高能所)

左下角的大麥哲倫雲照片爲葉梓頤所拍。

 

图2:PSR B0540-69及其星风云的光度变化。(a)脉冲星和星风云总的X光度变化,可以明显看出脉冲星自转状态发生突变之后,X射线光度在逐渐增加并达到饱和;(b)PSR B0540-69脉冲辐射本身的光度一直保持不变;(c)脉冲星和星风云总体的辐射能谱指数没有明显变化。图中竖的虚线表示自转状态突变的时间。

(图片来源:高能所/Nature Astronomy)

    附:论文链接

    https://www.nature.com/articles/s41550-019-0853-5 


 
 
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