中國天文學家使用五百米口徑球面射電望遠鏡發現一大批暗弱脈衝星

中國科學院國家天文台韓金林研究員領導的科研團隊利用五百米口徑球面射電望遠鏡開展銀道面脈衝星巡天，取得重要進展，新發現了二百零一顆脈衝星，其中包括一批最暗弱的脈衝星、挑戰當代銀河系電子分佈模型的大色散量脈衝星、四十顆毫秒脈衝星、十六顆脈衝雙星、一批模式變化和消零脈衝星以及射電暫現源等。

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。長期以來都是天文和物理的先進研究領域，涉及重力波探測、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。早年的脈衝星發現，以及脈衝星雙星監測對重力波輻射做出的首次物理驗證，因其意義重大，得到兩項諾貝爾物理學獎。自1968年脈衝星發現到現在五十餘年，已經發現約三千顆脈衝星，其中約四百多顆毫秒脈衝星。

五百米口徑球面射電望遠鏡是目前世界上靈敏度最高的射電望遠鏡，配備的十九波束L波段接收機，成為世界上最強大的脈衝星搜尋利器。韓金林團隊提出用五百米口徑球面射電望遠鏡進行脈衝星快照巡天（the Galactic Plane Pulsar Snapshot survey ），對銀道面區域輪流進行五分鐘積分，首次使得銀河系大面積脈衝星系統性搜尋進入μJy（micro Jansky）量級的靈敏區域。五百米口徑球面射電望遠鏡觀測預期能夠發現一千顆左右的新脈衝星，期待發現特殊類型高科學價值的脈衝星。2019年，項目團隊完成了觀測模式和數據處理試驗之後，2019年底脈衝星快照巡天項目被五百米口徑球面射電望遠鏡科學委員會選定為重大優先觀測項目之一。2020年初，脈衝星快巡天項目正式開啟觀測。

截止2021年3月，脈衝星快照巡天共計觀測了一百二十六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，但已經取得了豐碩的科學成果。目前已發現新脈衝星二百零一顆。相比之前最靈敏的美國阿雷西博（Arecibo）射電望遠鏡的脈衝星阿雷西博接收L波段射電源陣列（Pulsar Arecibo L-band Feed Array）巡天，脈衝星快照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衝星流量僅為在5μJy左右。

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密度分佈模型的預計。如果利用銀河系電子密度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（上圖 ），很可能是銀河系模型中這些雲團的數目或雲團裡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密度模型提出挑戰。

脈衝星快照巡天早期結果還發現四十顆毫秒脈衝星，其中至少有十四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重力波，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重力理論的絕佳利器，因此這些發現是對該領域的一個顯著貢獻。

除此之外，脈衝星快照巡天還發現大約十二顆模式變換或消零脈衝星、一顆旋轉射電暫現源（rotating radio transients）以及與超新星遺跡成協的脈衝星。這些特殊脈衝星對研究脈衝星輻射物理有著重要的意義。脈衝星快照巡天團隊還記錄和分析偏振數據，發表八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六十四顆已知脈衝星的物理參數。

【圖、文：節錄自中國科學院國家天文台2021年5月20日新聞公佈；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2021年4月20日出版的中國《天文和天體物理學研究》期刊