在观测数据中,研究人员发现了一个“奇怪的信号”:来自terzan 5方向的射电脉冲,周期仅为1.396毫秒,而且非常稳定。他们立即意识到,这是一颗毫秒脉冲星——而且是目前已知最快的。
为了确认,团队用绿岸望远镜(Green bank telescope)进行了后续观测,测量了该脉冲星的色散量(dispersion measure,dm)——即星际介质中的电子对射电信号的延迟。通过dm可以计算脉冲星的距离:pSR J1748-2446ad的dm≈110 pc\/cm3,对应距离约光年,与terzan 5的位置一致。
4.2 观测“脉冲消零”:中子星表面的“小脾气”
pSR J1748-2446ad的脉冲并不是连续的——它有时会“消零”(Nulling),即突然停止发射脉冲,持续几毫秒到几秒。这种“消零”现象,是中子星表面“星震”或磁层扰动的结果。
当脉冲星自转时,表面的物质会因为离心力而“隆起”,引发微小的地震(星震)。这些星震会扰动脉冲星的磁场,导致辐射束暂时关闭——我们观测到的“消零”,就是这种扰动的结果。通过分析消零的频率和持续时间,天文学家可以研究中子星表面的物质状态:pSR J1748-2446ad的消零率约为10%(即每10次脉冲中有1次消零),说明它的表面比其他毫秒脉冲星更“活跃”。
五、科学问题:从“自转机制”到“物态方程”
pSR J1748-2446ad的发现,不仅刷新了“最快脉冲星”的纪录,更提出了一系列关于中子星、球状星团乃至宇宙演化的科学问题。
5.1 中子星的物态方程:压力与密度的“终极关系”
中子星的内部物态是宇宙中最神秘的领域之一。我们不知道,在10^14 g\/cm3的密度下,物质会以何种形式存在——是中子简并态?还是夸克物质?或是更奇特的“核物质”?
pSR J1748-2446ad的“极限自转”,为我们提供了限制物态方程的线索。根据广义相对论,快速自转的中子星会产生“框架拖曳”(Frame dragging)效应——时空被中子星的自转“拖拽”,导致引力场发生变化。通过观测pSR J1748-2446ad的轨道进动(如果它有伴星的话),我们可以计算其内部的压力分布,进而推断物态方程的参数。
目前,天文学家正在用x射线望远镜(如dra和xmm-on)观测pSR J1748-2446ad的热辐射。中子星表面的热辐射来自“冷却过程”:年轻中子星通过铀、钍等放射性元素的衰变加热,而老年中子星则通过表面的“热导率”散热。通过测量其热辐射的光谱,我们可以计算中子星的表面温度(约10^5 K),进而推断其内部的热传导机制——这直接关系到物态方程的正确性。
5.2 引力波辐射:“看不见的能量损失”
快速自转的中子星会通过引力波辐射损失角动量,导致自转减慢。引力波是爱因斯坦广义相对论的预言,是时空的“涟漪”。对于pSR J1748-2446ad来说,它的自转速度极快,引力波辐射是否显着?
根据广义相对论,引力波的功率(L_gw)与自转频率的四次方成正比(L_gw∝f^4)。pSR J1748-2446ad的自转频率f=716 hz,引力波功率约为10^31瓦——这比太阳的 luminosity(3.8x10^26瓦)大5个数量级,但相对于它的自转动能损失率(约10^30瓦)来说,引力波辐射的贡献很小。这意味着,pSR J1748-2446ad的自转减慢主要来自“磁偶极辐射”,而非引力波——这与其他毫秒脉冲星的情况一致。
但未来,随着激光干涉空间天线(LISA)的发射,我们可能能直接探测到pSR J1748-2446ad发出的引力波。这将是我们第一次“听到”快速自转中子星的“声音”,也将验证广义相对论在强引力场中的正确性。
六、宇宙学意义:球状星团的“时间胶囊”
pSR J1748-2446ad不仅是一颗中子星,更是terzan 5星团的“时间胶囊”——它的自转速度和周期变化,藏着星团演化的秘密。
6.1 测量星团年龄:“脉冲星钟”的可靠性
毫秒脉冲星的周期会随时间缓慢增加(自转变慢),增加的速率(?)取决于其磁场强度(b)和转动惯量(I):?∝b2\/I。通过测量?,我们可以计算脉冲星的年龄(t≈p\/(2?))。
terzan 5中的毫秒脉冲星很多,它们的?值都很小(约10^-20秒\/秒),说明它们的年龄很大(约120亿年)——与银河系的年龄一致。p