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來自中子星的脈動伽馬射線每秒旋轉707次

科技 2019-09-20 09:31:58

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)領導的國際研究小組發現,無線電脈沖星J0952-0607也發射脈沖伽馬輻射。J0952-0607在一秒鐘内旋轉707次,在快速旋轉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年的數據,過去兩年的LOFAR無線電觀測,兩個大型光學望遠鏡的觀測,以及LIGO探測器的引力波數據,該團隊使用了一個多信使詳細研究脈沖星二元系統及其輕量級伴随物的方法。他們的研究發表在天體物理學雜志上表明極端脈沖星系統隐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該系統的新未解答的問題。

脈沖星是恒星爆炸的緊湊殘餘物,具有強磁場并且快速旋轉。它們像宇宙燈塔一樣發射輻射,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現的,這是由費米伽瑪射線太空望遠鏡确定的可能是脈沖星。沒有檢測到來自Fermi上的大面積望遠鏡(LAT)的數據中的伽馬射線脈動。利用射電望遠鏡陣列LOFAR進行的觀測确定了一個脈動射電源,并與光學望遠鏡觀測結果一起測量了脈沖星的一些特性。它在6.2小時内繞着共同的質心旋轉,伴星隻有太陽的五十分之一。脈沖星在一秒内旋轉707次,因此在我們的銀河系中,在球狀星團的密集恒星環境之外旋轉最快。

尋找極其微弱的信号

利用二元脈沖星系統的先前信息,Lars Nieder,博士。AEI Hannover的學生,開始觀察脈沖星是否也發射了脈沖伽馬射線。“這次搜索非常具有挑戰性,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,脈沖星本身旋轉了2200億次。換句話說,隻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,搜索必須确定在每次發射1.4毫秒時的确切時間。”

這需要以非常精細的分辨率對數據進行梳理,以免錯過任何可能的信号。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将需要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

“我們的搜索發現了一個信号,但出了點問題!信号非常微弱,并且不是應該的位置。原因是:我們檢測到J0952-0607的伽馬射線,發現了初始光學望遠鏡中的位置誤差我們用來定位分析的觀察結果。我們發現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現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現了相當微弱但統計上顯着的伽馬射線脈沖星發現。”

在發現并确認了脈沖星脈沖伽馬輻射的存在之後,該團隊回到費米數據并使用從2008年8月到2017年1月的整整8。5年來确定脈沖星及其二元系統的物理參數。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的分析方法以正确地包括所有未知數。

另一個驚喜:2011年7月之前沒有伽馬射線脈動

衍生的解決方案還有另一個驚喜,因為在2011年7月之前的數據中不可能從脈沖星中檢測到伽馬射線脈動。脈沖星在該日期之後似乎隻顯示出脈動的原因尚不清楚。它發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确度來測試這一假設。在類似系統中看到的脈沖星軌道的變化也可能提供一種解釋,但數據中甚至沒有暗示這種情況正在發生。

光學觀察引發了更多問題

該團隊還使用ESO在La Silla的新技術望遠鏡和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,因此一側總是面向脈沖星并受到輻射的加熱。當伴星圍繞二元系統的質心運行時,其熱的“日”側和較冷的“夜”側可從地球上看到,并且觀察到的亮度和顔色變化。

這些觀察産生了另一個謎團。雖然無線電觀測指向脈沖星約4,400光年的距離,但光學觀測意味着距離大約三倍。如果系統相對接近地球,它将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中存在沖擊波,這可能導緻同伴的不同加熱。使用費米LAT觀測進行的更多伽馬射線觀測應該有助于回答這個問題。

尋找連續的引力波

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數據搜索來自脈沖星的連續引力波發射。脈沖星在有小山丘或颠簸時會發出引力波。搜索沒有發現任何引力波,這意味着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。

快速旋轉的中子星

了解快速旋轉的脈沖星很重要,因為它們是極端物理學的探測器。中子星在離開離心力之前能夠多快地旋轉是未知的,并且取決于未知的核物理學。像J0952-0607這樣的毫秒脈沖星旋轉得如此之快,因為它們已經被同伴的物質吸收而旋轉。這個過程被認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,符合理論預期。

“我們将繼續使用伽馬射線,無線電和光學天文台研究這個系統,因為關于它的問題仍有待解決。這一發現再次表明極端脈沖星系統隐藏在費米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,并有信心在未來做出更多令人興奮的發現。”

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