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2018-12-1

毫米/亚毫米波脉冲星的故事

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 10:00 pm

由于辐射谱的特性,一般脉冲星的信号在数百MHz的频段达到最强,在此之上存在陡降;出于同样的理由,针对这类天体的观测和搜索工作也是在较低频段上进行更加合适。谁又会凭空给自己添麻烦,非要在本征辐射较弱的毫米乃至亚毫米波段寻找脉冲星的身影呢?莫要诧异,这样的“怪”事还真的发生过。

观测毫米/亚毫米波脉冲星的目的当然不是研究者在没事找事。要知道,这一频段可能具有星体辐射谱的关键转折点——脉冲星在数GHz之下的低频辐射据信属于非热的相干辐射;而部分星体所具备的从光学一直到高能的辐射则是非相干成分所致,甚至还可能混有热辐射的成分;若想认识此类天体,了解不同机制之间的过渡自然非常重要,若能在理应出现拐点的射电高频区域进行观测,有望揭示出相干与非相干辐射之间的衔接方式。其次是有关脉冲轮廓的解析。考虑低频射电波的星际色散效应显著,脉冲轮廓中的精细结构很容易被抹平,在高频则可以克服这一问题,对毫秒脉冲星尤其如此。

基于此,研究脉冲星的高频特性可以一路追溯到马普射电天文所的100米埃菲尔斯伯格望远镜落成之初的20世纪70年代。当时这架望远镜在10余GHz的厘米波频段上探测到了来自一批脉冲星的信号。随后在1992年,观测波长第一次进入了毫米波的范畴——此时这架望远镜在33.9 GHz频率(对应波长约为8.8毫米)上瞄准了7颗脉冲星,并检测到了其中的5颗。其中的PSR 1929+10甚至还在主脉冲之外表现出了相隔半个周期左右的“中介脉冲”结构,它可能是几何效应的产物。

脉冲星PSR 1929+10的33.9 GHz平均脉冲轮廓图,左为主脉冲,右为中介脉冲。它是最早一批得到毫米波探测的脉冲星之一。(图片来源:Wielebinski et al. 1993

这最早的一批毫米波探测结果非常鼓舞人心。这不仅是因为得到毫米波探测的脉冲星比例之高,更是因为探测到的信号水平比根据低频幂律谱外推所得的结果强了不少,甚至比频率更低的24 GHz还要强——后一点意味着星体辐射谱形态在数十GHz处确实存在改变(但依旧还属于相干辐射起源)。在此之后,数十GHz的脉冲星观测已不算鲜见。

个人所知的脉冲星探测频率记录是由著名的船帆脉冲星创下的。2016年春夏之交,这颗南天的脉冲星得到了ALMA阵列在最低97.5 GHz、最高343.5 GHz的4个频段上的成功探测,这最后一个频段更是脉冲星的第一次亚毫米波探测,对应波长只有大约0.87毫米。与早先埃菲尔斯伯格望远镜的那批观测一样,船帆脉冲星的毫米-亚毫米波辐射谱也是要比GHz平坦得多。由于现在针对该源缺乏数十GHz的数据,二者之间的连接形式还不能完全得知。此外船帆超新星超亮的毫米波亮温度也说明这里以相干辐射为主,与更高频率的红外/可见光非相干辐射不尽相同。这样的辐射机制转折应该出观测数据同样不足中远红外区间,具体情况尚不明确。

船帆脉冲星的343.5 GHz影像,图中白、黑、红色等高线依次表示97.5、145和233 GHz的毫米波辐射分布。(图片来源:Mignani et al. 2017

除了普通脉冲星,甚至连罕有的磁星也得到了毫米波探测——在ALMA公布船帆脉冲星的亚毫米波数据之前,脉冲星射电探测频率的记录就属于SGR J1745-2900(虽然这条记录只保持了几个月而已),这是法国毫米波射电天文所的30米望远镜在291 GHz的频率上创下的。尤为特别的是,针对SGR J1745-2900的毫米波观测还保有154 GHz以下频率上的偏振信息,这一数字至今也还是射电偏振探测的频率记录。相比普通脉冲星在高频处可能发生的去偏振化过程,磁星的偏振特性也是显得十分特别,更说明了此频段辐射的相干本质。

SGR J1745-2900在不同频率和各个偏振分量上的脉冲轮廓图。(图片来源:Torne et al. 2017

但在亚毫米波段搜索新的脉冲星(尤其是毫秒脉冲星)到现在为止还只是个设想。高频色散效应弱,进而容易凸显快速脉冲的可能性固然诱人,但相应观测的数据质量不佳也是实际存在的问题——以SGR J1745-2900为例,其291 GHz的流量虽然与225 GHz相比所差无几,但高频的仪器本底性质要恶劣得多,因此信噪比锐减。如果只是研究已知星体倒也好说,想要作出新的发现就要费上一番周折了。

不过要想全面认识脉冲星的行为,现有的这些毫米/亚毫米观测还是远远不够的。比如已有高频探测的脉冲星,在观测数据往往存在大段的频率缺口有待补足;而为了更好地填平亚毫米波和红外线之间的空白,也许就要借助ALMA新近启用的第10频段以及詹姆斯·韦布等新一代红外空间望远镜来帮忙了。

 

参考资料:

[1] Wielebinski, R., et al. 1993, Astronomy & Astrophysics, 272, L13
[2] Torne, P., et al. 2017, MNRAS, 465, 242
[3] Mignani, R. P., et al. 2017, ApJ, 851, 1

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