创记录：LOFAR发现周期23.5秒的脉冲星
脉冲星是在自转驱动下发出周期性辐射的中子星。按照最流行的灯塔模型，与自转轴存在交角的辐射束从中子星磁场的极冠发出，随着星球转动而摇摆着。当辐射束的取向允许它定时扫过地球时，观测者就能收到高度规律的脉冲信号。由于这种脉冲的周期同中子星自转周期直接挂钩，其取值并非随意，下限由致密物质的物态决定，上限则受制于辐射过程——随着辐射能的释放，星体转速一路下降，最终辐射束会在降到足够低之后熄灭，至少是强度下降到现有无法探测的程度。
现在创下脉冲星周期最短记录的是毫秒脉冲星PSR J1748–2446ad，自转一周只需1.4毫秒，不过它并不是本文的重点；恰恰相反，这次要重点关注的是一颗脉冲星的周期能有多长。
对于脉冲星的研究者而言，一个重要性不亚于赫罗图之于恒星天文学家的工具叫做周期-周期导数图。周期导数是脉冲星周期随时间变化程度的衡量，在正常情况下都是逐渐减慢的。在这张图中，已知脉冲星沿明显的对角线分布，周期越短减慢也越不明显，这样就构成了一条脉冲星主序。又由于如果假设脉冲来自偶极辐射，中子星的磁场可以用自转周期和周期导数二者来反映，有时导数也会用星体磁场的数值来代替，此时脉冲星主序被大体拉成了一条水平线。如下图所示，普通孤立脉冲星在周期-周期导数图上的演化大抵沿着主序向长周期、大周期导数（弱磁场）大方向前行，最终转动能量不足以驱动辐射，越过右侧的“死亡线”（death line）归于沉寂。
脉冲星的周期-磁场图，其上用箭头标出了普通脉冲星的演化轨迹，右下方的“死亡线”则是中子星可否以脉冲星的面貌示人的分界线。（图片版权：Swinburne University of Technology）
但是脉冲星死亡线的具体位置一直以来也是一个争议话题。在偶极辐射的大框架下，不同的辐射机制决定了死亡线的不同位置。如果要检验某个机制正确与否，最直接的方法当然就是在观测数据中直接寻找自转最慢的脉冲星实例。
不过寻找慢速脉冲星的难度还是不小的。首先以当前的理论来看，它们都属于辐射束已然显著变暗的年老星体，因此这对望远镜的灵敏度要求很高。而主流脉冲星搜索项目却采用漂移扫描或短时间瞄准某个天区的方式，对给定源的一次性积分时间以秒计算，只能覆盖慢速自转星体的个位数周期，很难得到高置信度的结果。更且脉冲星搜索的传统算法——为多波段数据试消色散后进行傅里叶变换，对周期较长的脉冲其实不是太敏感，反而更容易受到红噪声的影响。在种种因素的共同作用只下，已知的长周期脉冲星数量并不多。
就算如此，研究者还是努力找到了有着10秒以上周期的个位数脉冲星样本，不过它们是藉由高能而非射电观测被发现的，比如周期几近11.8秒的明亮X射线脉冲星1E 1841-045（J1841-0456）就是一个例子。但考虑它是一颗有着高达1014高斯级强磁场的磁陀星，其高能辐射并非完全来自自转角动量的损失，而是有很大比例的强磁场贡献，类似天体并不能对普通脉冲星作出什么明确的限制。
而最近荷兰主持的低频射电阵列LOFAR却一为脉冲星的死亡线问题带来了新的曙光——它以传统的傅里叶变换方法发现了周期长达23.535秒的PSR J0250+5854，比包括磁陀星在内的任何已知脉冲星转速都要更慢。这颗脉冲星最早在2015年8月就已被LOFAR记下，但LOFAR的射电脉冲星巡天项目LOTAAS直到去年7月才采集到了置信度足够的数据，将它辨认了出来，还测定出了其自转减慢的速率——每秒3.5×10-14秒。
脉冲星最长周期记录的新一任保持者——PSR J0250+5854的证认图。（图片来源：Tan et al. 2018）
不过PSR J0250+5854的脉冲周期如此之慢，会不会是数据处理过程出了什么差错？答案是否定的。如果按照所测得周期的1/2对观测数据进行折叠，就能明显看到脉冲只在奇数（或偶数，取决于截取数据的方式）序号的周期中出现，这是真实的天体明显不可能出现的现象。
这颗脉冲星是LOFAR的高频（相对LOFAR观测频带的高频而已）天线（HBA）在135 MHz的较低频率上发现的。随后研究者又借助LOFAR的低频天线（LBA）作了50-60 MHz的后续观测，还申请了美国的绿堤望远镜的350 MHz观测和法国的南赛望远镜以及英国的洛弗尔望远镜的L波段观测，又借助ROSAT卫星的存档数据以及雨燕卫星的后续观测考察了该源的高能辐射情况。结果是，只有HBA和绿堤明确探测到了脉冲信号，而且与磁陀星不同，PSR J0250+5854并无X射线信号相伴。
PSR J0250+5854的多波段脉冲轮廓图。（图片来源：Tan et al. 2018）
高频脉冲的缺失意味着PSR J0250+5854的辐射谱极陡，较典型脉冲星陡很多；不过LBA探测的缺失很可能是由于同频段干扰过多所致。而LOFAR和绿堤望远镜获取的多波段脉冲轮廓却不尽相同，前者看上去明显更加平滑，接近简单的高斯函数，而且在观测期间的脉冲“消零”现象很明显（脉冲缺失的比例平均为27%左右）；后者却明显存在两个辐射峰，伴有偶发的强脉冲，且并未表现出任何显著的消零（但这一点也可能是单次脉冲信噪比较低所致）。这暗示了频率依赖的辐射机制的存在。
在周期-周期导数图上，这样一颗慢速脉冲星自然位于最右侧，已然越过了某些较为古老的模型预言的死亡线的位置，如上世纪70年代提出的在电磁场非正交的极冠真空隙生成正负电子对的模型，以及90年代提出的偶极磁场+极区大曲率磁力线模型。但极冠区域的扭曲磁场模型和更晚些时候问世的其他模型也还是允许PSR J0250+5854这种情况存在的。只是讲到对模型的约束，这次倒是没有周期虽然只有8秒多，但周期导数更大的PSR J2144-3933来得有效。
PSR J0250+5854（以红叉表示）在脉冲星周期-周期导数图上的位置。图中不同颜色的虚线表示各种模型给出的“死亡线”位置。（图片来源：Tan et al. 2018）
PSR J0250+5854的发现不仅大大刷新了脉冲星自转周期上限的记录，更说明超慢自转的中子星在宇宙中的存在性。只要拥有足够灵敏的仪器，使用最经典的傅里叶法找到它们的身影还是有可能的。而当这样的脉冲星样本扩大到了一定程度之后，人们对这类天体辐射过程的了解想必会更上层楼——从这一点来看，慢速脉冲星的重要性丝毫不亚于那些毫秒级自转周期的弟兄。
末了八一个卦，有内部传说称，本来在PSR J0250+5854被发现之前，澳大利亚Parkes望远镜的团队其实已经找到了一颗周期足够长的射电脉冲星，只想择良机发布搞个大新闻。谁料旋即LOFAR把PSR J0250+5854的消息公开，Parkes的这货还没等发表就已无人问津了……这次LOFAR团队发表的论文里还提到了一颗12.1秒周期的脉冲星的存在，但参考文献还是in preparation，不知说的是不是这个倒霉鬼嗯。
