近期，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)天馬射電望遠(yuǎn)鏡團(tuán)組利用天馬射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)9顆毫秒脈沖星進(jìn)行S/X波段雙頻同時(shí)觀測(cè)，通過(guò)雙頻互校技術(shù)成功得到了這9顆毫秒脈沖星X波段（8.60 GHz）的積分輪廓。該研究將具有8 GHz以上積分輪廓資料的毫秒脈沖星的數(shù)量從原先的4顆擴(kuò)充至11顆，顯著擴(kuò)充了有關(guān)樣本數(shù)。結(jié)合其它頻率上已發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果，天馬望遠(yuǎn)鏡團(tuán)組首先研究了這9顆毫秒脈沖星的頻譜、多頻積分輪廓演化，發(fā)現(xiàn)9顆毫秒脈沖星在高頻射電的積分輪廓寬度和峰間距與低頻相比沒(méi)有明顯變化，其中有4顆毫秒脈沖星的射電頻譜存在轉(zhuǎn)折。此外，他們還進(jìn)一步揭示了毫秒脈沖星PSR J1713+0747在2021年4月16日前后發(fā)生的一次不同尋常的輪廓變化事件的物理起源。相關(guān)成果于2024年1月12日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）上。

毫秒脈沖星，是一類自轉(zhuǎn)周期為毫秒量級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)極快的脈沖星。它們被認(rèn)為是經(jīng)歷了“吸積再加速”過(guò)程的年老脈沖星，迄今為止已有500多顆被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，約占目前已知脈沖星總數(shù)的15%。通常認(rèn)為，脈沖星的高頻射電輻射區(qū)比低頻射電輻射區(qū)更靠近星體表面，而脈沖星的積分輪廓可直觀反映其輻射區(qū)結(jié)構(gòu)，因此多頻觀測(cè)對(duì)探測(cè)其三維輻射區(qū)結(jié)構(gòu)并進(jìn)一步理解其射電輻射機(jī)制具有重要意義（脈沖星輻射示意圖見圖1）。

圖1，脈沖星多頻射電輻射示意圖：脈沖星就像宇宙中的“燈塔”，隨著其快速自轉(zhuǎn)，來(lái)自于磁極附近區(qū)域的束狀輻射（“輻射束”）有規(guī)律地掃過(guò)望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)者便有機(jī)會(huì)觀測(cè)到周期性脈沖輻射。通常認(rèn)為，脈沖星高頻射電輻射區(qū)比低頻射電輻射區(qū)更加靠近星體表面。（此圖是在B. Saxton，NRAO/AUI/NSF的原始圖片上進(jìn)行加工而成）

近年來(lái)，天文學(xué)家利用新建的LOFAR、MWA等陣列望遠(yuǎn)鏡已在幾百M(fèi)Hz以下的低頻射電波段獲得了一批脈沖星的高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，而脈沖星（尤其是毫秒脈沖星）高頻（>8 GHz）觀測(cè)資料依舊稀缺，僅有6顆毫秒脈沖星報(bào)道過(guò)8 GHz以上的觀測(cè)結(jié)果（其中4顆給出了積分輪廓）。究其原因，一是由于脈沖星的射電輻射流量通常隨著觀測(cè)頻率升高而迅速降低（表現(xiàn)為較陡的冪律譜），二是由于毫秒脈沖星通常比普通脈沖星的射電輻射更加暗弱。在望遠(yuǎn)鏡口徑等觀測(cè)條件已定的情況下，要實(shí)現(xiàn)脈沖星高頻射電觀測(cè)研究的突破就需要積累比低頻波段百倍以上的觀測(cè)時(shí)間。但是，讓望遠(yuǎn)鏡盯著一顆脈沖星連續(xù)觀測(cè)這么長(zhǎng)時(shí)間顯然不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間非常寶貴，再加上觀測(cè)目標(biāo)源也會(huì)“東升西落”，因此諸多因素使得目前的望遠(yuǎn)鏡對(duì)脈沖星進(jìn)行如此連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的高頻段觀測(cè)變得難以實(shí)現(xiàn)。

為了克服對(duì)脈沖星進(jìn)行高頻觀測(cè)的困難，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)揮天馬射電望遠(yuǎn)鏡可在S/X波段進(jìn)行雙頻段同時(shí)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展出“雙頻互校技術(shù)”。該技術(shù)利用高信噪比的低頻S波段（2.25 GHz）觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)時(shí)分析并生成更精確的計(jì)時(shí)模型星表，然后將該星表用于把跨越數(shù)十天（甚至數(shù)百天）的X波段（8.60 GHz）同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。由于新生成的星表“明察秋毫”地反映脈沖星信號(hào)到達(dá)時(shí)間行為，從而保證了X波段脈沖信號(hào)在疊加前能夠精確對(duì)齊（天文學(xué)上稱“相干疊加”），有效提高信號(hào)和噪聲的比例。如圖2所示，盡管單次毫秒脈沖星觀測(cè)在X波段無(wú)法清晰探測(cè)到其脈沖信號(hào)，但是通過(guò)將多次觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相干疊加最終得到了其高質(zhì)量積分輪廓。

圖2，利用雙頻互校技術(shù)對(duì)天馬望遠(yuǎn)鏡S/X波段毫秒脈沖星PSR J1643-1224觀測(cè)數(shù)據(jù)分析流程示意圖：左側(cè)為某次45分鐘的S/X雙頻同時(shí)觀測(cè)得到的積分輪廓；右側(cè)展示了S和X波段分別疊加所有觀測(cè)數(shù)據(jù)后的積分輪廓（S和X波段分別用藍(lán)色和紅色表示）。

利用該方法，研究團(tuán)隊(duì)成功得到了9顆毫秒脈沖星在8.60 GHz的積分輪廓，其中疊加觀測(cè)次數(shù)最多的毫秒脈沖星PSR J1012+5307，在8.60 GHz總共采用了81次觀測(cè)，時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)1210天。這9顆毫秒脈沖星中有7顆是第一次得到其8 GHz以上的積分輪廓，另外2顆的積分輪廓相比歷史結(jié)果也有更好的信噪比。研究團(tuán)隊(duì)利用天馬望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)等效流量密度同時(shí)估算了這9顆毫秒脈沖星在2.25 GHz和8.60 GHz的平均流量密度，結(jié)合已發(fā)表的其它頻率流量密度數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)有4顆毫秒脈沖星存在頻譜轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，其射電頻譜需要用分段冪律譜進(jìn)行描述（見圖3）。這與在一些普通脈沖星中觀測(cè)到的頻譜轉(zhuǎn)折現(xiàn)象相似但轉(zhuǎn)折頻率相對(duì)更高，其原因有待進(jìn)一步揭示。

圖3，觀測(cè)獲得的9顆毫秒脈沖星射電頻譜，縱橫坐標(biāo)分別為流量密度和觀測(cè)頻率，其中4顆毫秒脈沖星存在頻譜轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。

通常情況下，毫秒脈沖星的積分輪廓穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于普通脈沖星，目前僅有三顆毫秒脈沖星報(bào)道過(guò)存在積分輪廓的變化（不包括特殊情況下由于相對(duì)論性進(jìn)動(dòng)造成積分輪廓改變的毫秒脈沖星），其中包括毫秒脈沖星PSR J1713+0747。歷史上曾經(jīng)兩次探測(cè)到PSR J1713+0747輪廓變化事件，但由于輪廓變化幅度很小，天文學(xué)家無(wú)法確定這種變化與頻率是否有依賴關(guān)系。研究者提出多種模型解釋其輪廓變化，比較有代表性的有星際介質(zhì)“透鏡”效應(yīng)和本征磁層擾動(dòng)兩類模型。PSR J1713+0747大約從2021年4月16號(hào)前后又發(fā)生了輪廓變化現(xiàn)象。盡管天馬團(tuán)隊(duì)沒(méi)有2021年4月16日當(dāng)天對(duì)該星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但是他們積累了一些后續(xù)多頻觀測(cè)資料。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，他們發(fā)現(xiàn)PSR J1713+0747積分輪廓變化的幅度在2.25 GHz到8.60 GHz之間隨觀測(cè)頻率增高而顯著增大。該發(fā)現(xiàn)很大程度上排除了星際介質(zhì)“透鏡”效應(yīng)的有關(guān)模型。因而，天馬團(tuán)隊(duì)傾向于將此次PSR J1713+0747輪廓變化事件解釋為起源于脈沖星磁層中的某種變化。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，后續(xù)開展更多輪廓變化現(xiàn)象的多波段觀測(cè)，將幫助天文學(xué)家進(jìn)一步理解脈沖星磁層和射電輻射機(jī)制。

除了天馬團(tuán)隊(duì)成員外，來(lái)自廣州大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)多位研究者廣泛參與了這項(xiàng)工作。該研究在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、上海市自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、天馬望遠(yuǎn)鏡重大成果培育項(xiàng)目支持下完成，并且得到了天馬望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行團(tuán)隊(duì)的有力保障。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad0724

科學(xué)聯(lián)系人：

閆振，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，yanzhen@shao.ac.cn

沈志強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，zshen@shao.ac.cn