感謝數千名志願者努力二十年後揭開異常的中子星系統之謎


經過二十多年,一隊以英國曼徹斯特大學卓瑞爾河岸天體物理學中心(Jodrell Bank Centre for Astrophysics)科林·克拉克(Colin Clark)博士為首的國際研究小組,發現銀河中神秘的伽馬射線源是由一顆重中子星,它的質量很低伴星環繞旋轉產生。

通過在分佈式公民科學項目Einstein@Home的大約一萬個圖形卡上運行的新穎數據分析方法,研究小組通過對來自美國太空總署費米(Fermi)太空望遠鏡的數據進行深度搜索,通過定期產生脈衝的伽馬射線來識別中子星。令人驚訝的是,中子星在無線電波頻譜中是完全不見。該雙星系統的特徵是在整個電磁頻譜上進行觀測活動,並打破了幾項記錄。

這顆中子星以超過每分鐘三萬轉的速度自轉,使它成為最快旋轉的恆星之一。同時它的磁場非常弱,與一般常見中子星擁有非常強大的磁場不同。

克拉克博士表示,自1999年以來,天文學家已經知到伽馬射線源是由中子星產生。2014年,用光學和X射線望遠鏡觀察到這個系統後,很明顯這是一個非常緊密的雙星系統,觀測確定這顆雙星軌道特性成為有可能。為了明確證明中子星的存在,不僅必須檢測其無線電波或伽馬射線,還必須檢測其特徵脈動。中子星的旋轉導致這種規則的閃爍,類似於遠處燈塔的周期性閃爍。中子星則分別稱為射電或伽馬射線脈衝星。

克拉克博士指出,在像我們現在發現的雙星系統中,脈衝星稱為「黑寡婦」,因為就像同名的蜘蛛一樣,它們會吞噬伴侶。脈衝星利用它的輻射和粒子風將伴星蒸發,使到恆星系統充滿了無法透過無線電波的等離子體。

克拉克博士表示,通過卓瑞爾河岸和阿爾伯特·愛因斯坦研究所之間的合作,發現的第一顆黑寡婦蜘蛛脈衝星(spider pulsar),但是像這樣性質的還有更多蜘蛛脈衝星候選名單。我們在卓瑞爾河岸內的小組正在使用光學望遠鏡密切監視,用望遠鏡查證它們的軌道週期是具有伽馬射線脈動搜索所需要的精確度,才可以最終確定它們的存在。我們希望這次是許多此類發現中的第一個。

得益於上萬志願者的計算能力,使到這項新研究成為可能。這項國際合作將公民科學項目Einstein@Home的巨大計算能力作為一種新穎的數據分析方法,來追踪由費米太空望遠鏡數據中的中子星微弱伽馬射線脈動。志願者將電腦的圖形卡上的空閒計算時間捐贈給Einstein@Home。在不到兩週的時間,該團隊就得到一項新發現,對比使用傳統電腦需要花費幾個世紀的計算時間。

阿爾伯特·愛因斯坦研究所博士生拉爾斯·尼德(Lars Nieder) 博士解釋,這顆編號 PST J1653-0158的雙星系統和在其中心的中子星,創造了新記錄。我們發現了超重量級和輕量級中子星在銀河系中飛行。主要的中子星質量非常重,比我們太陽的質量稍大兩倍。它的伴星的密度約為鉛的六倍,但質量只有太陽的1%。這顆奇異的雙星對每75分鐘環繞軌道運行一次,比所有已知的同類雙星系統都要快。

在確定了伽馬射線脈衝星後,研究小組搜索了它的無線電波。儘管他們使用了世界上最大,最靈敏的射電望遠鏡,包括卓瑞爾河岸的洛弗爾(Lovell)射電望遠鏡,但他們沒有發現任何踪跡。因此,PSR J1653-0158成為第二顆已知的快速旋轉脈衝星。偵測不到無線電波有兩種可能的解釋:脈衝星沒有向地球發送任何無線電波,或者更可能的是,等離子雲完全包裹了雙星系統,以致沒有無線電波到達地球。

【圖、文:節譯自曼徹斯特大學2020年10月22日新聞公佈】研究全文刊登在2020年10月22日出版的《天體物理學快報》

PSR = Pulsating Source of Radio = 射電脈動源星表

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