天文學家發現脈衝星自轉狀態突變導致星風雲亮度變化_風聞

來源：微信公眾號“中科院高能所”

中科院高能物理研究所葛明玉、盧方軍帶領的國際合作研究小組發現位於大麥哲倫星雲星系中的脈衝星PSR B0540-69在自轉減速率突然增加之後的一年多時間裏，其星風雲的X射線亮度逐漸增亮了相當的比例。這是天文學家第一次觀測到脈衝星自轉狀態突變導致脈衝星風雲亮度變化的現象，為研究脈衝星自轉減速機制、脈衝星磁場結構以及脈衝星風雲的基本物理性質提供了重要的觀測依據。相關結果於北京時間8月26日在《Nature Astronomy》（自然·天文學）在線發表。

脈衝星是高速轉動的強磁場中子星，是大質量恆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，而典型磁場約為一萬億高斯，相當於地球磁場的兩萬億倍。根據脈衝星經典輻射理論，高速自轉的脈衝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為，高速旋轉的磁場也會產生以接近光速向外運動的星風，這是導致脈衝星自轉減慢的主要原因。脈衝星風和周圍環境作用，會形成空間尺度為幾光年（地球到太陽距離的十萬倍左右）的脈衝星風雲（見圖1）。著名的蟹狀星雲就是這樣一個脈衝星風雲。

2011年12月，天文學家發現脈衝星PSR

B0540-69的自轉減速率突然增加了約36%，然後保持穩定，這説明其自轉能釋放功率也增加了36%。此前，在多顆脈衝星中也觀測到了這類脈衝星自轉減速率突變的現象，它們同時伴隨着脈衝星脈衝輻射輪廓和流強的變化。由於脈衝輪廓和磁場結構直接相關，因此這些自轉減速率突變被認為是脈衝星磁場結構的變化引起的；但是與那些脈衝星不同，PSR B0540-69在自轉減速率突變後，並沒有表現出X射線輻射特徵（脈衝流強和輪廓）的顯著變化，其起因成為了未解之謎。

通過分析多顆X射線天文衞星對PSR

B0540-69的觀測數據，葛明玉等人發現，在該脈衝星發生自轉減慢速率轉換之後，圍繞在其周圍的脈衝星風雲的亮度在約400天內逐漸增加了32±8%，與該脈衝星自轉減速率的突變幅度相當（見圖2）。對比分析PSR

B0540-69脈衝輻射和星風雲輻射的特性，研究組認為，導致脈衝星自轉減慢率突變的主要原因是脈衝星磁極區域的磁場升高。由於磁極區域磁場的變化和星風的強度直接相關，但對X射線脈衝輻射區的影響不大，因此可以合理地解釋所有的觀測現象。

本工作首次在觀測上建立了從脈衝星自轉加速率突變，星風增強到星風雲變亮的時間和邏輯關係，也證明星風是導致該脈衝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為約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。葛明玉為本研究論文的第一作者，盧方軍、葛明玉為論文聯合通訊作者。參加本研究的還有安徽建築大學閆林麗博士，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。

本項目研究得到國家重點研發計劃大科學裝置專項、國家自然科學基金委員會以及中國科學院-國家自然科學基金委員會空間科學聯合基金的支持。

圖1：脈衝星及脈衝星風雲系統的示意圖，中間的橙色部分代表脈衝星（僅為示意繪製，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為葉梓頤所拍。

圖2：PSR B0540-69及其星風雲的光度變化。（a）脈衝星和星風雲總的X光度變化，可以明顯看出脈衝星自轉狀態發生突變之後，X射線光度在逐漸增加並達到飽和；（b）PSR B0540-69脈衝輻射本身的光度一直保持不變；（c）脈衝星和星風雲總體的輻射能譜指數沒有明顯變化。圖中豎的虛線表示自轉狀態突變的時間。

（圖片來源：高能所/Nature Astronomy）