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2017-2-2

自转型暂现射电源

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 6:28 pm

先前在站里曾经多次介绍过快速射电暴(FRB)这种近年红极一时的瞬变性事件。这次要说的自转型暂现射电源(Rotating RAdio Transient,缩写为RRAT)则是又一类发现时间只比快速射电暴早1年,在现象上多少与FRB有些相似的现象。就连二者的发现过程也有共同点:都是从澳大利亚帕克斯(Parkes)的巡天数据之中挖掘而出的,甚至发现者还是夫妻关系;只是它们的起源和特性不尽相同。

典型自转型暂现射电源目前已经发现了100余个。它们以射电波段偶发的短暂增亮为特征,每次持续数毫秒到数十毫秒不等,这一点与FRB是一致的。但与后者至今只有一个复发案例不一样的是,所有RRAT都会重复发作,每次发作的间隔短者只有数分钟,长者可达若干小时,所以一个源在一天之内的可探测时间往往还不足1秒。确定历次复发来源统一的标准自然是色散,由于来自同一方向的不同脉冲色散接近,可以认为它们源于一处。

自转型暂现射电源的单个脉冲图(上)与扫频图(下)。

如其名所示,自转型暂现射电源现象的出现与星体自转有关。实际上,RRAT的真实身份据信就是脉冲星,而且以河内脉冲星为主,其分布相对银盘集中,同地球的典型距离多半不超过数千秒差距。但与普通脉冲星相比,这些源的辐射更为随机,或是历次脉冲的亮度差异更大(平均峰值亮度只有已探测脉冲的1%不到),这样一来,只有最亮的那一部分才能被我们探测到。

这倒不是说普通脉冲星的脉冲一定非常规律,因为部分周期缺乏辐射的“消零”脉冲星确实存在。但与RRAT相比,消零脉冲星好歹还有相当一部分脉冲连续数次清晰可见,每次信号缺乏也只会持续数秒,算不上真正意义的消零。RRAT只能以较长的间隔发出乍看毫无周期规律的零星几次脉冲,所以使用寻找脉冲星的传统方法——消色散后进行傅里叶变换并寻找周期性信号——来寻找RRAT往往不太灵光。虽说周期搜索RRAT的确不能说是一无所获,但在一般情况下,只有对同一个这样的射电源积累足够多的事例之后,才能根据历次复发的间隙,找到隐藏其中的最大公约数——这就是星体自转周期的最大可能值。当然,真实周期是公约数的整数分之一也是有可能的。

普通脉冲星(a)、消零脉冲星(b、c)与自转型暂现射电源(d)的脉冲比较图。(图片来源:Burke-Spolaor & Bailes 2010

少数年轻脉冲星(如蟹云脉冲星)的确会表现出非周期性的偶发“巨脉冲”现象。但来自RRAT的脉冲与普通脉冲星的典型亮度相当,一般只能在河内可见,还远远够不上“巨脉冲”的标准。而且发射巨脉冲的星体有着更强的光速圆柱磁场强度,所以RRAT的辐射机制理应与巨脉冲有所区别(其实巨脉冲本身的起源已经是众说纷纭了)。

自转型暂现射电源在脉冲星周期-周期导数图上的位置可能为它们的内在物理提供了一些线索。虽然目前得到精确计时的RRAT数量不足已知总数的3成,不过从它们当中还是可以看出一些共性的。首先是这些源的自转周期普遍偏长,最长甚至达到了7.7秒;自转周期的减慢又偏快,相当一部分成员已靠近甚至越过理论上不足以持续驱动辐射束的脉冲星“死线”,所以可能只剩下了一些零星的辐射。还有一种可能性是,某些RRAT的色散量相当高。如果它们并非存在于高密度等离子体环境中,那么就意味着其距离甚远,像J1724-35或J1652-4406这样色散超过500秒差距每立方厘米的RRAT完全有可能源于河外。它们的随机脉冲更像是仪器选择效应的产物。磁层中束缚的等离子体辐射、与解释复发快速射电暴类似的吸积物回落或小行星模型、类似巨脉冲但能量更低的理论也都在其他可能性之列。

脉冲星周期-周期导数图上普通脉冲星(绿色)、RRAT(黑色)、X射线昏暗的孤立中子星(蓝色)与磁星(红色)的相对位置关系。图中黑色粗线表示脉冲星辐射的“死线”.(图片来源:Keane et al. 2011

迄今只有一个RRAT得到了射电之外其他波段的观测,这就是J1819−1458。这个源有多个特殊之处,包括脉冲亮度高居所有RRAT之冠;表面1012高斯量级的磁场与磁星相当;还具有频繁出现的自转突变(有说是将这一点与磁星行为相联系,但RRAT与磁星的关系至今也无定论)。在自转型暂现射电源的发现公布之前的2005年,钱德拉X射线天文台就在无意之中观测了它周边的天区。这是因为该源距离年轻的超新星遗迹G15.9+0.2只有11角分,望远镜在观测后者时顺便记录了周边的情况。钱德拉发现了来自该天体的120电子伏特热谱,与冷却中的中子星相当,确定了这类源作为脉冲星的身份。除此之外,再无其他同类辐射源在其他波段被证认出来。

钱德拉X射线天文台获取的J1819−1458周边天区图像,其中椭圆形框表示根据射电计时观测推测出的中子星可能的位置区间。(图片来源:Gaensler et al. 2006

与快速射电暴一样,自转型暂现射电源的未知数仍有很多,辐射机制难以敲定,演化过程不明。甚至连脉冲星本身需要进一步确定的问题也存在着不少。正如RRAT的发现者Maura McLaughlin在2003年与人合作完成的一篇论文中所预言的那样,射电天空中不知还隐藏着多少短时标现象有待认知。而RRAT本身,只不过是预言成真的一个证明而已。

the next few decades will undoubtedly bring about a greater understanding of radiobursting objects, including Crab-like pulsars in other
galaxies, counterparts to high energy bursting sources, and other classes of objects that are yet to be discovered.”

 

参考资料

[1] McLaughlin, M. A., et al. 2006, Nature, 439, 817
[2] Gaensler, B. M., et al. 2006, Ap&SS, 308, 95
[3] Burke-Spolaor, S. & Bailes, M. 2010, MNRAS, 402, 855
[4] Keane, E. F., et al. 2011, MNRAS, 415, 3065
[5] The RRATalog

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