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FAST望遠鏡發現一大批暗弱脈沖星

發表日期:2021-05-20來源:放大 縮小

  近日,國家天文臺韓金林研究員領導的科研團隊利用FAST望遠鏡開展銀道面脈沖星巡天,取得重要進展,新發現了201顆脈沖星,其中包括一批最暗弱的脈沖星、挑戰當代銀河系電子分布模型的大色散量脈沖星、40顆毫秒脈沖星、16顆脈沖雙星、一批模式變化和消零脈沖星以及射電暫現源等。這一發現于2021520日作為封面文章正式發表在國內天文學國際期刊《天文和天體物理學研究》(英文簡稱RAA)上。 

  脈沖星是大質量恒星死亡后的殘骸,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。長期以來都是天文和物理的前沿研究領域,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。脈沖星的發現和研究,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。早年的脈沖星發現,以及脈沖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年脈沖星發現到現在50余年,已經發現約3000顆脈沖星,其中約400多顆毫秒脈沖星。    

  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沖星搜尋利器。韓金林團隊提出用FAST進行脈沖星快照巡天(the Galactic Plane Pulsar Snapshot survey,GPPS),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沖星系統性搜尋進入μJy量級的靈敏區域。FAST觀測預期能夠發現1000顆左右的新脈沖星,期待發現特殊類型高科學價值的脈沖星。2019年,項目團隊完成了觀測模式和數據處理試驗之后,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巡天項目正式開啟觀測。 

  截止20213月,GPPS共計觀測了約126平方度的銀道面區域,占巡天項目總體規劃的不到百分之五,但已經取得了豐碩的科學成果。目前已發現新脈沖星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。新發現的一批最暗弱脈沖星流量僅為在5μJy左右 (見圖1)。 

  在新發現的脈沖星中,一部分特殊脈沖星的色散量遠遠超過目前最好銀河系電子密度分布模型(NE2001YMW16)的預計。如果利用銀河系電子密度模型估算脈沖星距離,這些脈沖星應該坐落在銀河之外??紤]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云團(圖2),很可能是銀河系模型中這些云團的數目或云團里的電子密度被嚴重低估了。因此新發現的脈沖星對當代通用的銀河系電子密度模型提出挑戰。 

  GPPS巡天早期結果還發現了40顆毫秒脈沖星,其中至少有14顆位于密近雙星系統中。毫無疑問,后續對這些毫秒脈沖星的測時觀測可以用來探測來自遙遠星系的低頻引力波,還可用于建立脈沖星時間和空間基準,其中一些脈沖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貢獻。 

  除此之外,GPPS巡天還發現了大約12顆模式變換或消零脈沖星、1顆旋轉射電暫現源(RRAT)以及與超新星遺跡成協的脈沖星。這些特殊脈沖星對研究脈沖星輻射物理有著重要的意義。GPPS巡天團隊還記錄和分析了偏振數據,發表了8顆脈沖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顆已知脈沖星的物理參數。 

  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教授和美國康奈爾大學J M Cordes教授是RAA論文的特約審稿人。Manchester教授在RAA News and Views專欄發表了評論:到目前為止,GPPS僅覆蓋了FAST可觀測天區一小部分,已經發現了201顆以前未知的脈沖星。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個毫秒脈沖星,是一個了不起的成就...論文揭示了FAST在脈沖星天文學特別是脈沖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教授評論說:該巡天可能主導未來脈沖星發現,最終完成完整的銀河系脈沖星普查……可能遲早會發現脈沖星-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研究致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,未來結果可期。 

  GPPS項目進展和發現列表見網頁:http://zmtt.bao.ac.cn/GPPS/。 

  了解本工作詳細內容和國際專家評價,獲取更多RAA期刊相關資訊,請登陸RAA網站。 

  論文鏈接:http://www.raa-journal.org/docs/Supp/2021ms4877.pdf。

 

FAST-GPPS巡天靈敏度與其他巡天項目的對比。左圖:FAST-GPPS脈沖星搜尋靈敏度曲線及巡天探測的脈沖星。紅色為GPPS新發現的脈沖星,藍色和黑色分別為之前AreciboParkes等望遠鏡發現又被FAST探測到的脈沖星。右圖:GPPS、Arecibo和其它如Parkes等望遠鏡發現的脈沖星光度函數分布比較??梢?/span>GPPS新發現的201顆脈沖星相比較AreciboParkes等更為暗弱。本圖已被用作RAA最新一期的封面(RAA, 2021, Vol. 21)。

  位于銀河系本地旋臂(上左圖)或人馬旋臂(上右圖)的新發現脈沖星(五角星)具有超常的色散量(DM),遠超經典銀河系電子密度模型估計。 

  下圖展示了新發現脈沖星的DM與兩種銀河系電子密度模型估計的最大DM值的比較,所有脈沖星DM均超出銀河系電子密度模型NE2001在該方向的最大值,6顆脈沖星超出銀河系電子密度模型YMW16給出的最大值。

新發現的密近脈沖雙星系統。十分鐘左右的觀測就看到了脈沖相位因為雙星軌道效應引起的明顯飄移。

 

 

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