近日,中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜(FAST)首次发现的毫秒脉冲星得到国际认证,这是 FAST 继发现脉冲星之后的另一重要成果。这颗毫秒脉冲星J0318+0253的周期为5.19毫秒。
啥是毫秒脉冲星?FAST之前找到的脉冲星又是啥?究竟还有多少我们不知道的脉冲星?
望远镜对准脉冲星进行观测,往往能收到周期性的脉冲信号。这也正是脉冲星名字的由来。而这个周期,就是脉冲星一个重要观测参数。有人可能要抢答了:毫秒脉冲星就是周期是毫秒量级的脉冲星。然而,事情并没有那么简单。
我们观测到的脉冲星信号,虽然在短时间内周期几乎看不出变化,但如果分析长时间的观测数据就会发现,它们的周期是会变化的。而周期变化的快慢,即周期变化率,也是脉冲星一个重要的观测量。
如果以脉冲星的周期为横轴,周期变化率为纵轴,在二维图上点出已知的脉冲星,那么将得到以下这么一张神奇的关系图。
大家可以看到,图上的标记大致分成了三块。中间主要由黑色点组成的一块数量最多,我们有时统称其为“正常脉冲星”,周期大概在0.5秒左右。右上角有少量空心三角形抱团。观测表明这些脉冲星的磁场比较强大,所以我们称它们为“磁星”。左下角主要由带圆圈黑点组成的一坨,就是今天的主角——毫秒脉冲星。这些脉冲星的周期大部分在10毫秒以下,同时它们的周期变化率比正常脉冲星小了约十万倍。
我们看到,图上用了不用的符号来表示脉冲星。不用的符号代表了对应的脉冲星带有附加属性。带圆圈黑点是处于双星系统中的脉冲星;五角星是和超新星遗迹挨在一起的脉冲星;空心三角是伽马或X射线观测到的脉冲星;实心三角是在射电波段没有辐射的脉冲星。
仔细观察脉冲星“周期/周期变化率”关系图,我们会发现那些与超新星遗迹在一起的脉冲星(五角星)都集中在正常脉冲星左上角。脉冲星诞生于超新星爆炸,而超新星遗迹就是爆炸遗留下来的气体。著名的蟹状星云就是一个超新星爆炸遗迹,而星云中间还有一颗著名的脉冲星,即蟹状星云脉冲星。
所以,随着时间的推移,很多脉冲星就远离了其原本所在的超新星遗迹。此外,根据能量守恒我们知道,脉冲星不可能一直辐射能量而不损失能量。
脉冲星损失的正是它的自转动能。这将导致它的周期逐渐变长,进而慢慢落入到正常脉冲星那一大团黑点里面了。如果故事继续发展下去,脉冲星的自转能量进一步损失,那它在“周期/周期变化率”关系图中的位置就会慢慢往右下角移动,最终进入右下角灰色三角区域——脉冲星“坟墓”区。进入坟墓之前,脉冲星的辐射会变得时有时无,最终进入坟墓“死去”,不再发出辐射。
不过“坟墓”区仅仅只是理论研究结果,实际上也有“僵尸”脉冲星存在(处在坟墓中但仍然发出信号)。
FAST此前发现的脉冲星,都属于“正常脉冲星”。其中有一颗比较靠近“坟墓”,辐射时有时无,很多时候探测不到它的信号了。
有一部分脉冲星比较幸运,它们边上有另外一颗恒星。这就是双星中的脉冲星。这些脉冲星,当距离边上的恒星足够近时,可以通过吸收对方的物质来“抵抗衰老”。在吸收物质的过程中,这些脉冲星的自转速度会越来越快,脉冲信号的周期随着变短。它们的周期变化率也会变小,即周期更加稳定。它们就这样靠着他星的能量,慢慢地从“正常脉冲星”那一堆分布中朝左下角移动,最终成为一颗毫秒脉冲星。
脉冲星的分类,最终还和它们的演化阶段有关系。这也是为什么我们说不能单靠周期来划分脉冲星类型的原因之一。
所以回到题目,这次发现的毫秒脉冲星究竟是个啥?答:是一类依靠吸积伴星物质加速成为周期又短又稳定的脉冲星。