來自中子星的脈動伽馬射線每秒旋轉(zhuǎn)707次

由位于漢諾威的馬克斯普朗克引力物理研究所(阿爾伯特愛因斯坦研究所; AEI)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組發(fā)現(xiàn)，無線電脈沖星J0952-0607也發(fā)射脈沖伽馬輻射。J0952-0607在一秒鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)707次，在快速旋轉(zhuǎn)的中子星列表中排名第二。通過分析美國宇航局的費米伽瑪射線太空望遠鏡大約8。5年的數(shù)據(jù)，過去兩年的LOFAR無線電觀測，兩個大型光學(xué)望遠鏡的觀測，以及LIGO探測器的引力波數(shù)據(jù)，該團隊使用了一個多信使詳細研究脈沖星二元系統(tǒng)及其輕量級伴隨物的方法。他們的研究發(fā)表在天體物理學(xué)雜志上表明極端脈沖星系統(tǒng)隱藏在費米目錄中并激勵進一步搜索。盡管非常廣泛，但該分析還提出了有關(guān)該系統(tǒng)的新未解答的問題。

脈沖星是恒星爆炸的緊湊殘余物，具有強磁場并且快速旋轉(zhuǎn)。它們像宇宙燈塔一樣發(fā)射輻射，可以作為無線電脈沖星和/或伽馬射線脈沖星觀測，這取決于它們對地球的方向。

球狀星團外最快的脈沖星

PSR J0952-0607(名稱表示天空中的位置)最初是在2017年通過無線電觀測發(fā)現(xiàn)的，這是由費米伽瑪射線太空望遠鏡確定的可能是脈沖星。沒有檢測到來自Fermi上的大面積望遠鏡(LAT)的數(shù)據(jù)中的伽馬射線脈動。利用射電望遠鏡陣列LOFAR進行的觀測確定了一個脈動射電源，并與光學(xué)望遠鏡觀測結(jié)果一起測量了脈沖星的一些特性。它在6.2小時內(nèi)繞著共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，伴星只有太陽的五十分之一。脈沖星在一秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)707次，因此在我們的銀河系中，在球狀星團的密集恒星環(huán)境之外旋轉(zhuǎn)最快。

尋找極其微弱的信號

利用二元脈沖星系統(tǒng)的先前信息，Lars Nieder，博士。AEI Hannover的學(xué)生，開始觀察脈沖星是否也發(fā)射了脈沖伽馬射線。“這次搜索非常具有挑戰(zhàn)性，因為在8.5年的觀測中，費米伽馬射線望遠鏡僅記錄了來自微弱脈沖星的大約200條伽馬射線。在此期間，脈沖星本身旋轉(zhuǎn)了2200億次。換句話說，只有一次在每十億次輪換中觀察到伽馬射線!“ Nieder解釋道。“對于這些伽馬射線中的每一個，搜索必須確定在每次發(fā)射1.4毫秒時的確切時間。”

這需要以非常精細的分辨率對數(shù)據(jù)進行梳理，以免錯過任何可能的信號。所需的計算能力是巨大的。對于微弱的伽馬射線脈動的非常敏感的搜索將需要24年才能在單個計算機核心上完成。通過在AEI漢諾威使用Atlas計算機集群，它僅用了2天就完成了。

奇怪的第一次檢測

“我們的搜索發(fā)現(xiàn)了一個信號，但出了點問題!信號非常微弱，并且不是應(yīng)該的位置。原因是：我們檢測到J0952-0607的伽馬射線，發(fā)現(xiàn)了初始光學(xué)望遠鏡中的位置誤差我們用來定位分析的觀察結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)的伽馬射線脈動揭示了這個錯誤，“Nieder解釋道。“在報告無線電脈沖星發(fā)現(xiàn)的出版物中糾正了這個錯誤。新的和擴展的伽馬射線搜索在校正位置發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)微弱但統(tǒng)計上顯著的伽馬射線脈沖星發(fā)現(xiàn)。”

在發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了脈沖星脈沖伽馬輻射的存在之后，該團隊回到費米數(shù)據(jù)并使用從2008年8月到2017年1月的整整8。5年來確定脈沖星及其二元系統(tǒng)的物理參數(shù)。由于來自J0952-0607的伽馬輻射是如此微弱，他們必須增強他們之前開發(fā)的分析方法以正確地包括所有未知數(shù)。

J0952-0607的脈沖輪廓(脈沖星一次旋轉(zhuǎn)期間的伽馬射線光子的分布)顯示在頂部。以下是十年觀測中各個光子的相應(yīng)分布?；叶蕊@示單個光子來自脈沖星的概率(光子權(quán)重)。從2011年中期開始，光子沿著與脈沖輪廓相對應(yīng)的軌道排列。這顯示了伽馬射線脈動的檢測，這在2011年中期之前是不可能的。圖片來源：L。Nieder /馬克斯普朗克引力物理研究所

衍生的解決方案還有另一個驚喜，因為在2011年7月之前的數(shù)據(jù)中不可能從脈沖星中檢測到伽馬射線脈動。脈沖星在該日期之后似乎只顯示出脈動的原因尚不清楚。它發(fā)射的伽馬射線的變化可能是一個原因，但脈沖星是如此微弱，以至于無法以足夠的準(zhǔn)確度來測試這一假設(shè)。在類似系統(tǒng)中看到的脈沖星軌道的變化也可能提供一種解釋，但數(shù)據(jù)中甚至沒有暗示這種情況正在發(fā)生。

該團隊還使用ESO在La Silla的新技術(shù)望遠鏡和La Palma的Gran Telescopio Canarias觀察脈沖星的伴星。它很可能是像月球一樣整齊地鎖定在脈沖星上，因此一側(cè)總是面向脈沖星并受到輻射的加熱。當(dāng)伴星圍繞二元系統(tǒng)的質(zhì)心運行時，其熱的“日”側(cè)和較冷的“夜”側(cè)可從地球上看到，并且觀察到的亮度和顏色變化。

這些觀察產(chǎn)生了另一個謎團。雖然無線電觀測指向脈沖星約4,400光年的距離，但光學(xué)觀測意味著距離大約三倍。如果系統(tǒng)相對接近地球，它將具有前所未見的極其緊湊的高密度伴侶，而較大的距離與已知的類似脈沖星同伴的密度兼容。對這種差異的解釋可能是來自脈沖星的粒子風(fēng)中存在沖擊波，這可能導(dǎo)致同伴的不同加熱。使用費米LAT觀測進行的更多伽馬射線觀測應(yīng)該有助于回答這個問題。

AEI Hannover的另一組研究人員使用來自第一次(O1)和第二次(O2)觀測運行的LIGO數(shù)據(jù)搜索來自脈沖星的連續(xù)引力波發(fā)射。脈沖星在有小山丘或顛簸時會發(fā)出引力波。搜索沒有發(fā)現(xiàn)任何引力波，這意味著脈沖星的形狀必須非常接近完美的球體，最高的凸起不到一毫米。

了解快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星很重要，因為它們是極端物理學(xué)的探測器。中子星在離開離心力之前能夠多快地旋轉(zhuǎn)是未知的，并且取決于未知的核物理學(xué)。像J0952-0607這樣的毫秒脈沖星旋轉(zhuǎn)得如此之快，因為它們已經(jīng)被同伴的物質(zhì)吸收而旋轉(zhuǎn)。這個過程被認(rèn)為是埋葬脈沖星的磁場。通過長期伽馬射線觀測，研究小組表明，J0952-0607具有脈沖星測量的十個最低磁場之一，符合理論預(yù)期。

“我們將繼續(xù)使用伽馬射線，無線電和光學(xué)天文臺研究這個系統(tǒng)，因為關(guān)于它的問題仍有待解決。這一發(fā)現(xiàn)再次表明極端脈沖星系統(tǒng)隱藏在費米LAT目錄中，”布魯斯·艾倫教授說。 ，Nieder的博士 AEI漢諾威的主管和主任。“我們還利用我們的公民科學(xué)分布式計算項目Einstein @ Home 在其他Fermi LAT資源中尋找二進制伽馬射流脈沖星系統(tǒng)，并有信心在未來做出更多令人興奮的發(fā)現(xiàn)。”