FAST新發現一大批闇弱脈衝星_風聞

近期，國家天文台韓金林研究員領導的研究團隊利用中國天眼FAST望遠鏡開展銀道面脈衝星巡天，取得了重要進展，近日正式發佈新發現201顆新脈衝星！

這些新發現中包括**一批最闇弱的脈衝星、挑戰當代銀河系電子分佈模型的大色散量脈衝星、40顆毫秒脈衝星、16顆脈衝雙星、一批模式變化和消零脈衝星以及射電暫現源等。**這些豐富的科學發現，近日作為封面文章在國內天文學唯一全英文國際期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》上正式發表公佈。

圖1. 學術期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》2021, Vol. 21第5期封面（圖源：RAA）

脈衝星是大質量恆星死亡後的殘骸，是宇宙中密度最高、磁場最強、自轉最快、相對論效應顯著的一類迷人而又奇異的天體，是研究宇宙極端環境中物理規律的理想實驗室。長期以來對脈衝星的研究是天文和物理的前沿領域，涉及引力波探測、精確驗證廣義相對論、限制極端物理條件下的物態方程、高精度時空基準建立等重要基本問題。

**脈衝星的發現和研究，是國際上大射電望遠鏡關鍵科學目標之一，是在科學前沿“逐鹿中原”的必爭之地。**早年的脈衝星發現，以及脈衝星雙星監測對引力波輻射做出的首次物理驗證，因其意義重大，還曾斬獲過兩項諾貝爾物理學獎。自1968年脈衝星發現到現在50餘年，已經發現約3000顆脈衝星，其中約400多顆毫秒脈衝星。

FAST是目前世界上靈敏度最高的射電望遠鏡，配備的19波束L波段接收機，成為世界上最強大的脈衝星搜尋利器。國家天文台韓金林領導的研究團隊提出用FAST進行脈衝星快照巡天（the Galactic Plane Pulsar Snapshot survey，GPPS）。他們對銀道面區域輪流進行5分鐘積分，首次使得銀河系大面積脈衝星系統性搜尋進入μJy量級的靈敏區域。

2019年，項目團隊完成了觀測模式和數據處理試驗之後，2019年底GPPS項目被FAST科學委員會選定為重大優先觀測項目之一。2020年初，GPPS巡天項目正式開啓觀測。

截止到2021年3月，GPPS共計觀測了約126平方度的銀道面區域，佔巡天項目總體規劃的不到百分之五，但是已經取得了豐碩的科學成果。目前已發現新脈衝星201顆。相比之前最靈敏的美國Arecibo望遠鏡 PALFA巡天，GPPS巡天靈敏度總體而言要高約一個數量級。新發現的一批最闇弱脈衝星流量僅為5μJy左右 （見圖2）。

圖2. FAST-GPPS巡天靈敏度與其他巡天項目的對比。左圖：FAST-GPPS脈衝星搜尋靈敏度曲線及巡天探測的脈衝星，紅色為GPPS新發現的脈衝星，藍色和黑色分別為之前Arecibo及Parkes等望遠鏡發現又被FAST探測到的脈衝星。右圖：GPPS、Arecibo和其它如Parkes等望遠鏡發現的脈衝星光度函數分佈比較，可見GPPS新發現的201顆脈衝星相比較Arecibo和Parkes等更為闇弱。本圖被用作RAA最新一期封面（圖源：作者）

在新發現的脈衝星中，一部分特殊脈衝星的色散量遠遠超過目前最好銀河系電子分佈模型（NE2001和YMW16）的預計。如果利用模型估算脈衝星距離，這些脈衝星應該坐落在銀河之外。考慮到銀河系在這些方向有銀河系的旋臂，它們含有大量電子氣體雲團（圖3），很可能是銀河系模型中這些雲團的數目或雲團裏的電子密度被嚴重低估了。因此新發現的脈衝星對當代通用的銀河系電子分佈模型提出挑戰。

圖3. 新發現脈衝星的DM均超出銀河系電子密度模型NE2001在該方向的最大值，6顆脈衝星超出銀河系電子密度模型YMW16給出的最大值（圖源：作者）

GPPS巡天早期結果還發現了40顆毫秒脈衝星，其中至少有14顆位於密近雙星系統中。毫無疑問，後續對這些毫秒脈衝星的測時觀測，可以用來探測來自遙遠星系的低頻引力波，還可用於建立脈衝星時間和空間基準，其中一些脈衝星將會成為檢驗引力理論的絕佳利器，因此這些發現是對該領域的一個顯著的貢獻。

圖4. 新發現的密近脈衝雙星系統。十分鐘左右的觀測就看到了脈衝相位因為雙星軌道效應引起的明顯飄移（圖源：作者）

除此之外，GPPS巡天還發現了大約12顆模式變換或消零脈衝星、1顆旋轉射電暫現源（RRAT）以及與超新星遺蹟成協的脈衝星。這些特殊的脈衝星對研究脈衝星輻射物理有着重要的意義。GPPS巡天團隊還記錄和分析了偏振數據，發表了8顆脈衝星的偏振參數和法拉第旋率。巡天工作的高清靈敏數據改進了64顆已知脈衝星的物理參數。

澳大利亞CSIRO天文和空間科學研究員、澳大利亞科學院院士R N Manchester教授和美國Cornell大學J M Cordes教授是RAA論文的特約審稿人。Manchester教授特邀在RAA的News and Views專欄發表了評論：

到目前為止，GPPS僅搜尋了FAST可觀測天區一小部分，就已發現了201顆以前未知的脈衝星。作為一個巡天項目早期階段, 這數目令人印象非常深刻…發現40個毫秒脈衝星，是一個了不起的成就…

論文揭示了FAST在脈衝星天文學特別是脈衝星搜尋方面的大好前景。祝賀作者迅速而全面地將巡天方法和結果發表在評審期刊上。讓人懊惱的是這樣的論文竟然在該領域相當少見。

Cordes教授評論説：“該巡天可能主導未來脈衝星發現，最終完成完整的銀河系脈衝星普查….可能遲早會發現脈衝星-黑洞雙星…對銀河系星際介質的研究大有裨益…韓等人論文的讀者會對FAST研究緻密天體和基本物理的大好前景感到興奮。”

目前，GPPS項目團隊繼續努力搜尋整個FAST可見銀道面區域。

編後語

有趣的是，該項目的論文在4月20日被接受等待正式發表的過程中，該團隊又發現了一批脈衝星，使得他們的脈衝星發現的總數達到了212顆。