伽瑪射線脈衝揭示極端毫秒脈衝星的奧秘

作者: Uliana S

伽瑪射線脈衝揭示極端毫秒脈衝星的奧秘-1
圖像是使用 AI 生成的。

在距離地球約3900光年的宇宙深處,旋轉著一個天文學家所知的最奇特天體之一。這是一顆毫秒脈衝星 PSR J0435+3233——一顆中子星,其完整自轉週期僅需3.2毫秒。最近,一個國際科學家團隊在分析費米望遠鏡(Fermi telescope)的數據後發現,這顆脈衝星以嚴格的週期性發射伽瑪射線,使其成為同類天體中罕見的例子。

這項發現始於無線電觀測。2026年,中國的FAST(五百米口徑球面射電望遠鏡)首次探測到來自PSR J0435+3233的信號。這顆脈衝星原來是一個雙星系統的一部分,並因其極端的特性立即引起了關注。它的派生週期——自轉速度減慢的速度——比典型毫秒脈衝星高出兩個數量級。其旋轉能量損失(spin-down luminosity)達到了驚人的數值——約為5.89 × 10^37 爾格/秒,這與年輕、高能的脈衝星相當,儘管該天體本身屬於「再加工」過的中子星類別。

毫秒脈衝星通常在雙星系統中形成:中子星通過從伴星吸積物質而「加速」旋轉。這個過程會平滑磁場,使其相對「平靜」。然而,PSR J0435+3233卻以約126億高斯的強表面偶極磁場和高能量損失率而脫穎而出。這些特性使其成為尋找伽瑪輻射的絕佳候選者。

由雲南大學的Mancin Zhang領導的團隊接手了這項任務。他們研究了費米-LAT望遠鏡近17.7年的觀測數據,能量範圍從0.1到500 GeV。費米目錄中已經標記了一個伽瑪源 4FGL J0435.5+3232,其位置距離脈衝星僅0.01度。對旋轉週期的相位分析顯示出清晰的脈動,顯著性水平約為6.8σ。伽瑪輻射集中在一個狹窄的相位區間——約從0.44到0.69,即僅佔恆星完整旋轉週期的四分之一。在此期間,脈衝星在伽瑪波段是「沉默」的。

其伽瑪射線的亮度約為6.26 × 10^32 爾格/秒。儘管具有如此巨大的旋轉能量,但其伽瑪輻射效率卻出乎意料地低——約為10^{-5}。這與具有類似功率的物體預期值形成對比,並為粒子加速機制、輻射束的幾何結構以及極端毫秒脈衝星磁層的結構開闢了新的問題。

發現PSR J0435+3233的伽瑪脈動,將其轉變為研究中子星物理學的寶貴實驗室。科學家們指出,高旋轉能量損失率與低伽瑪輻射效率的結合,將有助於更好地理解這些快速而強大的天體磁層是如何運作的。對這座遙遠「燈塔」的每一次新觀測,都使我們更接近理解宇宙中最極端的條件——那裡物質的密度和場的強度達到了地球實驗室無法企及的極限。

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來源

  • arxiv

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