蟹状星云斑马纹的由来

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翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

https://phys.org/news/2024-11-theoretical-astrophysicist-solution-enigma-crab.html

蟹状星云

图源：NASA

美国堪萨斯大学的一位理论天体物理学家可能揭开了近二十年都无解的蟹状星云高频射电脉冲中出现的异常“斑马纹”的起源。

该研究近日发表于《物理评论快报》。

蟹状星云中心有一颗中子星，它已经形成了一个大约20公里宽的脉冲星，像旋转风车一样向全宇宙发出电磁辐射。

堪萨斯大学物理和天文学教授、论文的第一作者米哈伊尔·梅德韦杰夫说：“这电磁辐射就像灯塔的光线那样，随着该脉冲星的自转，重复地扫过地球。”

“我们观测到的是一个脉冲辐射，通常每转一次有一到两个脉冲，这种特殊的脉冲被称为蟹状星云脉冲星，位于蟹状星云的中心，距离我们6000光年。”

蟹状星云是1054年出现的超新星爆发的遗迹。

教授说：“包括中文史籍在内的历史记录都描述了空中异常明亮的星星。”

但和其他脉冲星不一样的地方是，蟹状星云脉冲星有一个斑马纹——电磁能谱中和频段成比例的奇怪空白段，还有其他的怪事，比如高偏振性和稳定性。

蟹状星云脉冲星的“斑马纹”

图源：Moffett & Hankins 1996

“它很亮，在哪个波段都是。”教授说，“它是我们所知的唯一会产生斑马纹的天体，而且它只出现在蟹状星云脉冲星的单一辐射成分之中。”

“它的主脉冲是一个和大多数脉冲星一样的宽带脉冲，其他的脉冲则和其他的中子星一样。但是，它高频率的中间脉冲是独一无二的，处于5到30GHz之间，这频带就和微波炉的差不多。”

这一模式发表于一篇2007年的论文，令研究者困惑至今。

梅德韦杰夫建立了一个波衍射模型，该模型考虑一个圆形反射区域，其外部的折射率随着距离呈放射状变化，以此更好地理解蟹状星云的斑马纹。

图源：Mikhail Medvedev

梅德韦杰夫说：“研究者们提出了各种辐射机制，但没有一个能令人信服地解释上述模式。”

他利用蟹状星云脉冲星的数据建立了一种利用波动光学测量脉冲星等离子体密度的方法——等离子体是由带电粒子（电子和正电子）组成的 “气体”。

他说：“如果你有一个屏障，然后一个电磁波来了，它并不会直接传播过去。”

“在几何光学中，障碍物投下的阴影会无限延伸——阴影中没有光线；在阴影之外就能看到光线。但是，波动光学引入了一种不同的行为——波绕着障碍物弯曲并互相干涉，相长干涉（建设性干涉）和相消干涉（摧毁性干涉）造成了一系列明和暗的花纹”。

这一著名的条纹现象是由持续的相长干涉造成的，但当无线电波在中子星周围传播时却会不一样。

左：相长干涉； 右：相消干涉

红色激光的圆孔衍射图样

教授说：“当有一颗中子星作为障碍物时，典型的衍射图样会产生均匀分布的条纹。但这里，中子星的磁场产生带电粒子，它们构成了一个致密的等离子体，随着和中子星之间的距离而变化。

“当一个射电波透过等离子体传播时，它会穿过稀疏的区域、而被稠密区域反射回去。这一反射随着频率产生区别：低频的会产生大半径的反射、投射出更大的阴影，高频的则产生较小的阴影，形成和前者不一样的条纹宽度。”

如此，梅德韦杰夫确定，蟹状星云脉冲星的等离子体物质造成了电磁脉冲的衍射，而衍射造成了这颗中子星的斑马纹。

“这个模型是第一个能够测量这些参数的模型，”梅德韦杰夫说：“通过分析条纹，我们能推断出磁层中等离子体的密度和分布。这特别棒，因为这些观测数据让我们能将条纹尺寸转换为等离子体的密度分布，本质上就是为中子星的磁层创建图像或进行层析成像”。

接下来，梅德韦杰夫说他的理论可以在蟹状星云脉冲星的更多数据上测试，还可以从着重它强大、奇异的引力和偏振效应方面来完善。关于等离子体物质如何转变脉冲星的信号的新理解将会使天体物理学家们理解其他脉冲星的方式发生改变。

他说：“蟹状星云脉冲星多少是独一无二的——以天文学的标准来讲它还很年轻，才1000岁，十分高能。但它不是唯一的，我们还知道数百颗脉冲星，其中是十几颗也很年轻。”

“已知的脉冲双星，曾用来测试爱因斯坦的相对论，也能上述方法探索。这一研究真的可以扩展我们对脉冲星的理解、对它们的观测技巧，尤其是年轻的、高能的那些。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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拉斯坎帕纳斯天文台上空的波状云

图像来源：Yuri Beletsky (Carnegie Las Campanas Observatory, TWAN); h/t: Alice Allen

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