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2017-12-8

射电宁静中子星的世界

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 10:36 pm

今年是脉冲星发现50周年,业内纪念活动层出不穷。脉冲星是能够在自转能量的驱动下发出辐射束,并且辐射束会周期性扫过地球的中子星(或奇异星),其中的绝大多数都属于射电脉冲星。不过一颗中子星能否以射电脉冲星的面目示人,除了在指向方面需要一点运气之外,更有自身辐射性质的问题。因为种种原因没有射电信号探测的中子星统称射电宁静,它们才是宇宙中这类体积超小、超致密星骸的主体。

当然,没有射电辐射不意味着不存在其他形式的辐射。只能发出X射线或伽玛射线的脉冲星还是为数不少的,费米伽玛射线空间望远镜在高能脉冲星的搜寻方面就居功甚伟。这颗卫星曾经记录下了第一颗只存在伽玛射线信号的脉冲星PSR J0007+7303、第一颗河外伽玛射线脉冲星PSR J0540-6919,甚至还有辐射可以在射电与高能之间切换的PSR J1023+0038。这些星体射电辐射的缺乏意味着脉冲星辐射区存在复杂的结构。一般认为,高能辐射的起源地较射电更加靠近星体的光速圆柱,而射电辐射来自磁轴,因此不同的观测视角/演化阶段会对应不同的现象。

位于六分仪AY双星系统中的变身脉冲星PSR J1023+0038在射电(上)和高能(下)状态之间的切换过程示意。当来自伴星的吸积流被脉冲星星风阻滞时,脉冲星会发出射电波(绿色);而吸积流一旦达到星体表面,则会形成吸积盘,并诱发高能辐射(紫色)。(图片提供:NASA’s Goddard Space Flight Center)

另一类可以视作射电宁静的中子星是磁场超强的磁星,也就是软伽玛射线复现源的幕后黑手。强磁场对星体具有明显的制动作用,因此在描述脉冲星的周期-周期导数图上,磁星大量集中于长周期、快速周期变化的一端,与普通脉冲星迥异。像最早发现的磁星——SGR 1806-20每8秒才自转一周,几乎已经接近了经典脉冲星辐射理论中让自转供能的辐射束熄灭的极限。磁星的磁极辐射束除了强度可能较弱之外,宽度也往往较普通脉冲星更窄,因此有更大的概率错过地球,射电宁静(至少是不具备可探测射电脉冲)的可能性更大。

天文学家也某些超新星遗迹中也发现过一些不存在射电脉冲的中子星。它们往往是通过X射线热辐射被探测到的,因为形态上都是严格的点源、身居恒星爆发残骸的中央,对应的黑体温度又与中子星相符,不太可能是其他的天体。至于这些样本没有射电脉冲的原因,可能只是自转轴与磁轴取向不凑巧(而热辐射却是几近各向同性的),不过也存在CTA 1中心的PSR J0007+7303只有高能辐射这样的情况,或是极端自转参数导致辐射被抑制的可能性。

船尾A超新星遗迹以及其中的射电宁静中子星RX J0822-4300,插图描绘了其在1999年和2005年的位置,可见明显的运动。根据估计,这颗中子星的速度高达每秒1500千米。如此高速几乎不可能单纯通过超新星爆发获得,因此对当前的天体爆发理论提出了严峻挑战。(图片提供:钱德拉:NASA/CXC/Middlebury College/F.Winkler et al;ROSAT:NASA/GSFC/S.Snowden et al.;光学:NOAO/AURA/NSF/Middlebury College/F.Winkler et al.)

灯塔星云IGR J11014-6103则更进一步。这个脉冲星风云拖出了一条长达3光年的喷流状结构,内有一颗只发射热辐射的中子星。据信中子星是从一旁的超新星遗迹MSH 11-16A逃逸而出的,现在距离其形成地已有60光年之遥。考虑遗迹本身的年龄只有15000年上下,IGR J11014-6103的运动速度甚至超过了船尾A中的RX J0822-4300。

IGR J11014-6103与左上方的超新星遗迹。(图片提供:NASA/CXC/ISDC/L. Pavan et al.)

X射线暗淡的孤立中子星(X-ray Dim Isolated Neutron Stars,简称XDINS)最是彻底,在射电波段了无痕迹之外,连成协的超新星遗迹都不具备,更无伴星吸积过程,只剩下了自身冷却发射的X射线黑体谱。这类天体的典型年龄在数十万到百万年的级别,总体来说自转偏慢、磁场较强,但是又没有到磁星的级别。这其中的RX J185635-3754、RX J0720.4-3125、RBS1556、RBS1223、RX J0806.4-4132、 RX J0420.0-5022与MS 0317.7-6647组成了著名的“豪勇七杰(The Magnificent Seven)”,而10年前得到证认且距离地球最近的1RXS J141256.0+792204借用了同名电影中的反派Calvera之名。这些就是XDINS目前已知的所有样本了,全部是ROSAT卫星的发现。

“豪勇七杰”之RX J185635-3754的X射线影像。(图片提供:NASA/SAO/CXC/J. Drake et al.)

除了能够发出高能脉冲的少数样本,外加有可能在磁场作用下发生强烈爆发的磁星之外,搜索射电宁静的中子星并不容易。在已知的少数样本之外,还有多少磁场、自转等性质正常,但又不具备射电辐射的中子星?它们的数量和分布与针对河内中子星的预期是否相符?这都是有待回答的难题。毕竟这些小家伙的来龙去脉较普通脉冲星蕴涵了更多恒星以至银河系演化史的秘密,值得深究。

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