來(lái)自中子星的脈動(dòng)伽馬射線每秒旋轉(zhuǎn)707次

由位于漢諾威的馬克斯普朗克引力物理研究所(阿爾伯特愛(ài)因斯坦研究所; AEI)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組發(fā)現(xiàn)，無(wú)線電脈沖星J0952-0607也發(fā)射脈沖伽馬輻射。J0952-0607在一秒鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)707次，在快速旋轉(zhuǎn)的中子星列表中排名第二。通過(guò)分析美國(guó)宇航局的費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡大約8。5年的數(shù)據(jù)，過(guò)去兩年的LOFAR無(wú)線電觀測(cè)，兩個(gè)大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，以及LIGO探測(cè)器的引力波數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)多信使詳細(xì)研究脈沖星二元系統(tǒng)及其輕量級(jí)伴隨物的方法。他們的研究發(fā)表在天體物理學(xué)雜志上表明極端脈沖星系統(tǒng)隱藏在費(fèi)米目錄中并激勵(lì)進(jìn)一步搜索。盡管非常廣泛，但該分析還提出了有關(guān)該系統(tǒng)的新未解答的問(wèn)題。

脈沖星是恒星爆炸的緊湊殘余物，具有強(qiáng)磁場(chǎng)并且快速旋轉(zhuǎn)。它們像宇宙燈塔一樣發(fā)射輻射，可以作為無(wú)線電脈沖星和/或伽馬射線脈沖星觀測(cè)，這取決于它們對(duì)地球的方向。

球狀星團(tuán)外最快的脈沖星

PSR J0952-0607(名稱表示天空中的位置)最初是在2017年通過(guò)無(wú)線電觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的，這是由費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡確定的可能是脈沖星。沒(méi)有檢測(cè)到來(lái)自Fermi上的大面積望遠(yuǎn)鏡(LAT)的數(shù)據(jù)中的伽馬射線脈動(dòng)。利用射電望遠(yuǎn)鏡陣列LOFAR進(jìn)行的觀測(cè)確定了一個(gè)脈動(dòng)射電源，并與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)結(jié)果一起測(cè)量了脈沖星的一些特性。它在6.2小時(shí)內(nèi)繞著共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，伴星只有太陽(yáng)的五十分之一。脈沖星在一秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)707次，因此在我們的銀河系中，在球狀星團(tuán)的密集恒星環(huán)境之外旋轉(zhuǎn)最快。

尋找極其微弱的信號(hào)

利用二元脈沖星系統(tǒng)的先前信息，Lars Nieder，博士。AEI Hannover的學(xué)生，開(kāi)始觀察脈沖星是否也發(fā)射了脈沖伽馬射線。“這次搜索非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵?.5年的觀測(cè)中，費(fèi)米伽馬射線望遠(yuǎn)鏡僅記錄了來(lái)自微弱脈沖星的大約200條伽馬射線。在此期間，脈沖星本身旋轉(zhuǎn)了2200億次。換句話說(shuō)，只有一次在每十億次輪換中觀察到伽馬射線!“ Nieder解釋道。“對(duì)于這些伽馬射線中的每一個(gè)，搜索必須確定在每次發(fā)射1.4毫秒時(shí)的確切時(shí)間。”

這需要以非常精細(xì)的分辨率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，以免錯(cuò)過(guò)任何可能的信號(hào)。所需的計(jì)算能力是巨大的。對(duì)于微弱的伽馬射線脈動(dòng)的非常敏感的搜索將需要24年才能在單個(gè)計(jì)算機(jī)核心上完成。通過(guò)在AEI漢諾威使用Atlas計(jì)算機(jī)集群，它僅用了2天就完成了。

奇怪的第一次檢測(cè)

“我們的搜索發(fā)現(xiàn)了一個(gè)信號(hào)，但出了點(diǎn)問(wèn)題!信號(hào)非常微弱，并且不是應(yīng)該的位置。原因是：我們檢測(cè)到J0952-0607的伽馬射線，發(fā)現(xiàn)了初始光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的位置誤差我們用來(lái)定位分析的觀察結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)的伽馬射線脈動(dòng)揭示了這個(gè)錯(cuò)誤，“Nieder解釋道。“在報(bào)告無(wú)線電脈沖星發(fā)現(xiàn)的出版物中糾正了這個(gè)錯(cuò)誤。新的和擴(kuò)展的伽馬射線搜索在校正位置發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)微弱但統(tǒng)計(jì)上顯著的伽馬射線脈沖星發(fā)現(xiàn)。”

在發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了脈沖星脈沖伽馬輻射的存在之后，該團(tuán)隊(duì)回到費(fèi)米數(shù)據(jù)并使用從2008年8月到2017年1月的整整8。5年來(lái)確定脈沖星及其二元系統(tǒng)的物理參數(shù)。由于來(lái)自J0952-0607的伽馬輻射是如此微弱，他們必須增強(qiáng)他們之前開(kāi)發(fā)的分析方法以正確地包括所有未知數(shù)。

J0952-0607的脈沖輪廓(脈沖星一次旋轉(zhuǎn)期間的伽馬射線光子的分布)顯示在頂部。以下是十年觀測(cè)中各個(gè)光子的相應(yīng)分布?；叶蕊@示單個(gè)光子來(lái)自脈沖星的概率(光子權(quán)重)。從2011年中期開(kāi)始，光子沿著與脈沖輪廓相對(duì)應(yīng)的軌道排列。這顯示了伽馬射線脈動(dòng)的檢測(cè)，這在2011年中期之前是不可能的。圖片來(lái)源：L。Nieder /馬克斯普朗克引力物理研究所

衍生的解決方案還有另一個(gè)驚喜，因?yàn)樵?011年7月之前的數(shù)據(jù)中不可能從脈沖星中檢測(cè)到伽馬射線脈動(dòng)。脈沖星在該日期之后似乎只顯示出脈動(dòng)的原因尚不清楚。它發(fā)射的伽馬射線的變化可能是一個(gè)原因，但脈沖星是如此微弱，以至于無(wú)法以足夠的準(zhǔn)確度來(lái)測(cè)試這一假設(shè)。在類似系統(tǒng)中看到的脈沖星軌道的變化也可能提供一種解釋，但數(shù)據(jù)中甚至沒(méi)有暗示這種情況正在發(fā)生。

該團(tuán)隊(duì)還使用ESO在La Silla的新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡和La Palma的Gran Telescopio Canarias觀察脈沖星的伴星。它很可能是像月球一樣整齊地鎖定在脈沖星上，因此一側(cè)總是面向脈沖星并受到輻射的加熱。當(dāng)伴星圍繞二元系統(tǒng)的質(zhì)心運(yùn)行時(shí)，其熱的“日”側(cè)和較冷的“夜”側(cè)可從地球上看到，并且觀察到的亮度和顏色變化。

這些觀察產(chǎn)生了另一個(gè)謎團(tuán)。雖然無(wú)線電觀測(cè)指向脈沖星約4,400光年的距離，但光學(xué)觀測(cè)意味著距離大約三倍。如果系統(tǒng)相對(duì)接近地球，它將具有前所未見(jiàn)的極其緊湊的高密度伴侶，而較大的距離與已知的類似脈沖星同伴的密度兼容。對(duì)這種差異的解釋可能是來(lái)自脈沖星的粒子風(fēng)中存在沖擊波，這可能導(dǎo)致同伴的不同加熱。使用費(fèi)米LAT觀測(cè)進(jìn)行的更多伽馬射線觀測(cè)應(yīng)該有助于回答這個(gè)問(wèn)題。

AEI Hannover的另一組研究人員使用來(lái)自第一次(O1)和第二次(O2)觀測(cè)運(yùn)行的LIGO數(shù)據(jù)搜索來(lái)自脈沖星的連續(xù)引力波發(fā)射。脈沖星在有小山丘或顛簸時(shí)會(huì)發(fā)出引力波。搜索沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何引力波，這意味著脈沖星的形狀必須非常接近完美的球體，最高的凸起不到一毫米。

了解快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星很重要，因?yàn)樗鼈兪菢O端物理學(xué)的探測(cè)器。中子星在離開(kāi)離心力之前能夠多快地旋轉(zhuǎn)是未知的，并且取決于未知的核物理學(xué)。像J0952-0607這樣的毫秒脈沖星旋轉(zhuǎn)得如此之快，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)被同伴的物質(zhì)吸收而旋轉(zhuǎn)。這個(gè)過(guò)程被認(rèn)為是埋葬脈沖星的磁場(chǎng)。通過(guò)長(zhǎng)期伽馬射線觀測(cè)，研究小組表明，J0952-0607具有脈沖星測(cè)量的十個(gè)最低磁場(chǎng)之一，符合理論預(yù)期。

“我們將繼續(xù)使用伽馬射線，無(wú)線電和光學(xué)天文臺(tái)研究這個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)殛P(guān)于它的問(wèn)題仍有待解決。這一發(fā)現(xiàn)再次表明極端脈沖星系統(tǒng)隱藏在費(fèi)米LAT目錄中，”布魯斯·艾倫教授說(shuō)。 ，Nieder的博士 AEI漢諾威的主管和主任。“我們還利用我們的公民科學(xué)分布式計(jì)算項(xiàng)目Einstein @ Home 在其他Fermi LAT資源中尋找二進(jìn)制伽馬射流脈沖星系統(tǒng)，并有信心在未來(lái)做出更多令人興奮的發(fā)現(xiàn)。”