什么？中子星的自转周期竟然有一个小时？

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主译：酥油饼

校译：余路汉

审阅：牧夫天文校对组

编排：张一帆

后台：李子琦

https://sorae.info/astronomy/20240621-neutron-star.html

中子星是宇宙中最强大的射电辐射源之一。它们的自转周期很短，通常不到几秒钟，因此自转周期不满一秒的中子星并不少见。

悉尼大学的Manisha Caleb研究员所领导的一个国际研究小组，通过澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的射电望远镜“ASKAP（Australian Square Kilometre Array Pathfinder）”的观测，偶然发现了射电源“ASKAP 1935+2148(ASKAP J193505.1+214841.0)”。而南非射电天文台（SARAO）的“MeerKAT”射电望远镜进行的额外观测进一步揭示了这一射电源的有趣特性。

ASKAP 1935+2148不仅拥有约53.8分钟的超长周期，而且从其射电的性质来看，也表明该射电源很可能是一颗中子星。如果它是一颗中子星的话，ASKAP 1935+2148将是我们已知的旋转速度最慢的中子星。旋转速度极慢却能发出强力射电辐射的ASKAP 1935+2148有可能会大幅改变我们对中子星的认识。

▲图1：位于ASKAP射电望远镜背后的ASKAP 1935+2148想象图。其有可能是中子星或白矮星。（Credit: Carl Knox（OzGrav））

自转极慢的中子星之谜

比太阳重得多的恒星在生命的最后阶段，其中央内核会收缩，留下一个致密的内核，即“中子星”。由于收缩后，中心内核的旋转速度比作为恒星时的旋转速度更快（角动量守恒定律），因此中子星的旋转速度更高。这与旋转的花样滑冰运动员收回伸出的手臂后，其旋转速度加快的原理相同。因为是这样的情况，中子星的典型旋转周期只有几秒钟或更短。有些中子星的自转周期甚至小于百分之一秒，即每秒自转几百圈。

相反，自转周期为几十秒的中子星却很少见，因此它们对研究中子星的演化很有帮助。其原因是，周期太长的中子星不会发射射电辐射，因为太慢的自转速度无法提供足够的能量来发射强力的射电辐射，所以我们无法观测到其存在。这种无法观测的中子星的理论极限线被称为“死亡线（Death Line）”。此外，一些理论上被死亡线所包围或超出的区域被称为“死亡谷（Death Valley）”。

然而，近年来发现的一些中子星打破了传统思维。例如，我们观测到“GLEAM-X J162759.5-523504.3”和“GPM J1839-10”两个天体发射射电的周期约为20分钟。根据观测到的射电的性质，这两个天体被认为是一种具有强磁场的中子星亚型“磁陀星”，但根据传统理论，它们大约20分钟的自转周期太长，无法为其强力的射电发射源提供能量，因此它们被认为处于 “死亡谷”之中。但实际上，由于我们能够观测到强烈的射电放射，其存在本身就是一个巨大的谜团。

由于这些情况，以几十分钟为周期变化的射电源的身份也是一个很大的谜，“其真身是中子星”的推测也没有得到广泛的支持。

发现了自转周期接近一小时的中子星！？

▲图2：ASKAP射电望远镜群的照片。（Credit: CSIRO）

本次，Caleb率领的一个国际研究小组利用了澳大利亚的射电望远镜“ASKAP”进行观测。最初，这个观测的目的是探索一个与中子星完全不相关的天文现象--伽马射线暴“GRB 221009A”的本质。

在这个观测过程中，研究小组意外发现了一个有趣的射电源。该射电源位于狐狸座方向，距离地球约16000光年。这个射电源因其表面位置（在天球上的坐标）而被命名为“ASKAP 1935+2148”，通过位于南非的射电望远镜“MeerKAT”的补充观测而发现，它是一个射电特性周期性变化的射电源，误差小于万分之一。

令人惊讶的是其周期长度，通过MeerKAT的观测，我们得到其射电特性变化周期约为53.8分钟（3225.313±0.002弧秒）。假设ASKAP 1935+2148是中子星的情况下，根据我们的预测，要符合前文所述自转周期长达20分钟的中子星会因为缺乏能量而无法发射任何射电。所以这次观测能够检测出射电辐射属实令人吃惊。

此外，MeerKAT的观测结果还显示，ASKAP 1935+2148发射的射电可分为三大类。

1.高度线偏振的射电脉冲。其亮度最高，持续时间为10-50秒。

2.高度圆偏振的射电脉冲。强度约为上述线性偏振射电脉冲的1/26，持续时间约为0.370秒。

3.完全观测不到射电的活动静止状态（或射电发射突然停止的淬火状态）。

偏振光是电磁辐射振荡向特定方向排列的特性，在天文学中这种特性往往出现在强磁场中。能够观测到射电发射和观测不到射电发射的时间段在几个月的时间内缓慢变化，因此可以预测天体表面物理特性的变化与射电的发射有关。射电发射的强烈偏振光现象和停止活动期与具有强磁场的中子星的射电发射特性相吻合。

Caleb等人还考虑了ASKAP 1935+2148不是中子星的可能性，但认为这种可能性不大。其中，作为候补考虑的有白矮星，这是一种具有非常强磁场的特殊类型恒星。白矮星是像太阳一样大的恒星中央核心的残余物，密度比中子星低，直径比中子星大。因此，白矮星可能会比中子星发射出周期更长的射电。然而，对目前观测结果的分析表明，射电发射源直径非常小，实际上排除了该天体是白矮星的可能性。因此，Caleb等人认为ASKAP 1935+2148最有可能是一颗中子星。

探索中子星之谜过程中可能错失的环节

▲图3：被认为是中子星的射电源与自转周期和自转周期变化率的关系图。有些射电源，如 ASKAP 1935+2148，位于理论上无法观测到的“死亡谷”（灰色区域）（Credit: Manisha Caleb, et al.）

ASKAP 1935+2148发射出的射电特性与同样被认为可能是中子星的长周期射电源GLEAM-X J162759.5-523504.3和GPM J1839-10的特性非常相似。如果ASKAP 1935+2148能够被证实是一颗中子星，那么它将成为已知周期最长的中子星。

像这次观测发现的这样具有超长周期的射电源虽然不时被发现，但其中大多数的真身仍然是个谜。例如，位于银河系中心的“GCRT J1745-3009”是一个周期约77分钟的射电源，自2002 年被发现以来一直未被确认真身。ASKAP 1935+2148的周期约为53.8分钟，正好位于周期较短的 GLEAM-X J162759.5-523504.3、GPM J1839-10与周期较长的GCRT J1745-3009之间。因此，对ASKAP 1935+2148的研究可能是寻找周期更长的射电源的缺失环节。

另外，如前文所述，中子星如何从几十分钟的超长周期中产生射电辐射是一个巨大的谜团。对ASKAP 1935+2148进行的研究可能会让人们进一步了解宇宙中密度最大的天体之一的性质。

责任编辑：甘林

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中子星RX J0806.4-4123的艺术想象图（图源：wiki）

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