球状星团中那些奇异的脉冲星

　　脉冲星是可以探测到周期性脉冲信号的中子星。脉冲星的观测研究，涉及脉冲星计时、致密物质状态方程、双星演化和引力波探测等诸多方面，在过去的几十年中给我们带来了无数新知识。

　　500米口径球面射电望远镜(FAST)自建成以来，已经发现了超过240颗脉冲星。这是我们，中国人使用自己的大科学装置开展脉冲星搜寻而实现的系统性脉冲星发现。

图1. FAST全景（图源：国家天文台）

　　脉冲星是可以探测到周期性脉冲信号的中子星，主要产生于大质量恒星演化末期或吸积物质的白矮星产生的超新星爆发。迄今为止人类已经发现了超过3000颗脉冲星，其中大约有2800多颗在射电波段，也就是在如手机或无线网（wifi）的频段，可以探测到。

　　在上世纪六十年代末开始的、脉冲星发现的最初几年里，我们普遍认为脉冲星刚诞生时其脉冲周期大约是30毫秒；随着它逐渐将自转动能转化为电磁波的能量向宇宙空间中发射，它的自转也逐步减慢——这也是我们今日看到的多数脉冲星脉冲周期在1秒左右的原因之一。

　　1982年，Backer等人意外发现了一颗脉冲周期非常短的脉冲星，B1937+21。它的脉冲周期为1.558毫秒，远远短于刚诞生的脉冲星，被归为新的一类，叫做毫秒脉冲星。对于毫秒脉冲星的长期监测，我们认为这是脉冲星形成后有伴星的物质被它吸积。这样的吸积过程如果时间足够长、物质量足够多，完全可以将脉冲星加速使其有了更短的脉冲周期。

图2. 发现第一颗毫秒脉冲星的文章（图源：Nature, 300, 615）

　　物质吸积带来额外能量的同时，也减弱了脉冲星表面磁场，使脉冲星动能转化成电磁波释放的过程减慢，甚至百亿年后毫秒脉冲星依然可以被观测到。 根据目前天体物理的理解，一般定义脉冲周期短于20毫秒或者30毫秒的脉冲星为毫秒脉冲星。本文按照脉冲星研究中的惯例，采用30毫秒作为毫秒脉冲星的脉冲周期上限。图3为这些毫秒脉冲星的脉冲周期分布。

图3. 毫秒脉冲星的周期分布（图源：作者，数据来自ATNF psrcat）

　　在银河系范围内，脉冲星的分布是和恒星密度有关的。通常恒星多的地方，脉冲星也多。所以银道面上有大量脉冲星。脉冲星的另一个聚集地是球状星团。球状星团是具有百万颗小质量恒星的星团，对于其中的恒星质量分布分析表明其年龄长达百亿年。

图4. 球状星团M13（图源：NASA）

　　天文学家猜想，如果在球状星团形成初期存在大质量恒星，那么在演化过程中也会产生脉冲星和毫秒脉冲星；在百亿年之后，我们应该还能探测到其中的毫秒脉冲星。

　　这个猜想在1987年得到证实——Lyne等人在球状星团M28中发现了一颗自转周期约3毫秒的脉冲星。现在发现的毫秒脉冲星约四百颗，不到脉冲星总数的15%。在所有毫秒脉冲星中，球状星团中的毫秒脉冲星有145颗。球状星团是个不折不扣的特殊脉冲星的聚集地。图5展示了目前的球状星团脉冲星发现情况，我们共在30个球状星团中发现了157颗脉冲星。

图5. 根据公开信息统计得知，至今为止人类一共在30个球状星团中找到了157颗脉冲星。柱形图中蓝绿色区域表示脉冲双星的占比，土黄色区域表示孤立脉冲星的占比（图源：http://www.naic.edu/~pfreire/GCpsr.html）

　　在这些“有脉冲星发现”的30个球状星团中，20个球状星团中发现了不止1颗脉冲星。由于脉冲星的名称是其赤道坐标，因此我们在脉冲星名称后加上ABCD这样的大写英文字母来区分同一个位置附近的多颗脉冲星，比如前面提到的M28中的脉冲星，称为B1821-24A或者M28A。

　　随着望远镜灵敏度的提高，更多的发现使得26个大写英文字母也不够用了，因此我们在Z后，继而采用aa、ab这样的两个小写字母来编号。目前有脉冲星最多的两个球状星团，Terzan 5和杜鹃座47，分别有38颗和25颗脉冲星，都已经开始了两位小写英文字母的编号。

图6. 球状星团Terzan 5中脉冲星的位置。背景是哈勃望远镜拍摄的Terzan 5的可见光照片。红色的图示表示脉冲星正在靠近我们，蓝色的图示表示脉冲星正在远离我们（图源：https://greenbankobservatory.org/terzan-5-pulsar-jackpot/）

　　图6展示了Terzan 5中的脉冲星的位置和相对于我们的运动状态。Terzan5是个对于爱好者来说并不起眼的球状星团，它的亮度不到11等，和我们熟知的梅西叶星表中接近肉眼可见亮度的球状星团，比如M3，M13比起来，非常暗弱。天文学家观测却发现它具有异常高的中心恒星密度和星体作用率。这预示着其中可能存在大量的脉冲星，而观测正应证了这一点。

　　Terzan5中的脉冲星发现，被戏称为球状脉冲星搜索中的彩票头奖，因为在此之前人类从未在一个特定的球状星团中发现如此之多的脉冲星；寥寥几次观测带来了几十颗毫秒脉冲星的发现，这样的惊喜无异于彩票的头奖。

　　这份大奖中，有一个特别重要的发现：Terzan 5ad，目前为止脉冲周期最短的脉冲星，它的自转周期只有1.396毫秒，对中子星物态给出了很强的限制。这颗脉冲星位于一个轨道周期约1天的双星系统中，伴星的质量是太阳的0.16倍。

　　由于轨道较短以及伴星可能已经演化到了红巨星阶段（具有较大的半径），通过观测还能看到伴星物质被脉冲星吸积带来的脉冲星脉冲周期的不规律变化。更幸运的是，由于这个双星系统的轨道面和我们视线方向的夹角较小，我们还能通过观测看到脉冲星的信号被伴星遮挡导致的掩食。

　　毫秒脉冲星有比长周期脉冲星更加多样的脉冲轮廓，球状星团中的毫秒脉冲星也是如此。图7展示了另一个具有数十个脉冲星的球状星团，杜鹃座47中的25颗脉冲星的平均脉冲轮廓。这些脉冲轮廓反映了脉冲星自身的辐射特性。

　　这些形形色色的脉冲轮廓让人觉得眼花缭乱、觉得陌生，如果将这些脉冲转换成直观的声音(JordrellBank, Cornell)，感受就直观多了。

图7. 球状星团杜鹃座47中已知的25颗脉冲星的平均脉冲轮廓。左上角是对应的脉冲星名称，右上角表示横轴的误差棒（图源：http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/staff/pfreire/47Tuc/）

　　说到脉冲星信号转换出来的声音和旋律，不得不再次提起2020年中国科学院大学录取通知书中的CD。CD中包含的旋律全部来自于科研工作者们使用500米口径球面射电望远镜（FAST）发现的脉冲星。在被使用的15颗脉冲星信号中，包含了4颗FAST发现的球状星团中的脉冲星信号。

　　如果看过完整视频的读者可能会发现其中包含了叫做M13F，M14A，M92A和NGC6517E这样四颗脉冲星。M13F和M92A的相关科学研究已经分别成文发表，而M14A和NGC6517E则是在这录取通知书中首次公开。

图8. M92A的示意图（A）和计时观测结果（B）。伴星对脉冲星的掩食造成了计时观测结果中的空缺（图源：The Innovation, 1(3), 100053）

　　我们相信凭借着我国科研人员的不懈努力和FAST空前的灵敏度，球状星团中能发现更多的奇异的脉冲星。

　　参考文献：

　　[1] Backer D. C., Kulkarni S. R.,Heiles C., et al., 1982, Nature, 300, 615B

　　[2] Lyne A. G., Brinklow A.,Middleditch J., et al., 1987, Nature, 328, 399L

　　[3] ATNF psrcat pulsar catalog: https://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/psrcat/

　　[4] 47 Tucanae Pulsar Catalog: http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/staff/pfreire/47Tuc/

　　[5] Globular Pulsar Catalog: http://www.naic.edu/~pfreire/GCpsr.html

　　[6] Pulsar Jackpot: https://greenbankobservatory.org/terzan-5-pulsar-jackpot/

　　作者简介：潘之辰，中国科学院国家天文台助理研究员。主要研究方向为脉冲星搜索和恒星形成。钱磊，中国科学院国家天文台副研究员。主要研究方向为射电天文，撰写多篇广受好评的科普文章。