这颗中子星装作“老人”，骗了天文学家二十年

图摘自文献[1]：超新星遗迹 PKS 1209-51/52 的多波段图像。 射电辐射（红色）由 MeerKAT 望远镜在 1.3 GHz 频率下观测得到，X 射线辐射（青色）由 eROSITA 望远镜在 0.4–2.0 keV 能段观测得到。位于遗迹中心附近的致密天体 1E 1207.4-5209 呈现出类似眼睛的外观，因此被发现它的科学家昵称为 “蓝眼睛”（Blue Eye）。

导读：

中心致密天体是超新星爆炸后留在遗迹中心的中子星，长期被认为不发射射电波段的电磁波。清华大学、中国科学院国家天文台研究团队利用南非 MeerKAT 射电望远镜，首次探测到其中一颗的射电脉冲信号，打破了维持二十多年的“射电沉默”印象，也揭示了一条此前未被注意的中子星演化通道。

刘菲、张蕾｜撰文

超新星遗迹 PKS 1209-51/52 的中心，有一颗名为1E 1207.4-5209的天体。它距地球约 4500 光年（约 1.4 千秒差距），属于一类名为“中心致密天体”（Central Compact Object，简称 CCO）的中子星。

CCO 和它环绕的超新星遗迹都发出明亮的 X 射线，在多波段图像中呈现出类似眼睛的外观，因此被发现者昵称为“蓝眼睛”（Blue Eye）。

过去二十多年，天文学家多次用射电望远镜搜索 CCO 的信号，结果都是“沉默”——没有探测到射电脉冲，只留下一个个流量密度上限。CCO 因此被认为是不发射射电波段电磁波的中子星。

最近，人们对于CCO的这一印象被打破。清华大学、中国科学院国家天文台李菂团队利用南非的 MeerKAT 射电望远镜，在 1E 1207.4-5209 身上探测到周期约 0.424 秒的相干射电脉冲[1]。这项发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）的研究表明：CCO并非没有射电辐射，只是太弱而难以被听到。

而且，这颗中子星身处一个只有几千到几万年历史的年轻超新星遗迹，本该是颗“婴儿”，但几乎所有常规方法都会把它的年龄高估到几亿年。研究人员认为，它可能是一颗“装老”的年轻中子星。

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中子星

一颗恒星走到生命尽头，爆炸时并不总是把自己完全抛散到宇宙中。如果核心质量足够大，恒星会在引力作用下急剧坍缩。塌缩的结果若不是黑洞，便会留下一个半径只有十几公里、质量却接近太阳的致密天体——中子星（neutron star）。一茶匙中子星物质可重达数亿吨，引力强到能够弯曲光线，磁场也远远超过人类所能制造的极限。

1934年，天文学家沃尔特·巴德（Walter Baade）和弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）提出，超新星的爆发可能标志着普通恒星向中子星转变[2]。当时中子刚刚被发现，这个猜想极为大胆，因为人们还没有真正“看见”过中子星。天文界普遍认为，两人同时催生了超新星和中子星这两个影响近百年的重要概念。

左图是沃尔特·巴德，右图是弗里茨·兹威基，均来自网络。

这个预言等了三十多年才被证实。1967年，乔瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell Burnell）在射电巡天数据中发现了极其规律的脉冲信号[3]。天文学家随后意识到，这些周期性的闪烁来自高速旋转、高度磁化的中子星[4,5]。之后对蟹状星云和船帆座脉冲星的观测证实，有些超新星遗迹的中心确实藏着一颗正在转动并释放能量的中子星。

图为乔瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell Burnell），来自百度百科。

按照这一图景，年轻中子星应该是“吵闹”的——自转快、辐射强、射电明亮。但 CCO 从一开始就不符合这个预期。

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CCO：年轻遗迹里的“安静”中子星

CCO位于年轻超新星遗迹的中心，发出相对柔和的热 X 射线，却几乎没有射电对应体、光学对应体，也看不到明显的脉冲星风云[6]。它们不像刚出生就活跃的年轻脉冲星，而像爆炸残骸中央一批异常安静的幸存者。

这种安静伴随着一个悖论。

天文学家判断中子星“年轻”还是“年老”，常看两个量：自转周期P（转一圈要多久）和周期变化率Ṗ（自转变慢的速度有多快）。在最常用的磁偶极刹车模型中，可以粗略估算出外部偶极磁场强度约为

单位是高斯（G）；特征年龄则约为

单位是秒（s）。

这些公式很好用，但也有一个默认前提：中子星出生时转得远比现在快，且长期刹车方式稳定。

CCO恰恰缺少这一前提。它们身处只有几千到几万年历史的超新星遗迹中，Ṗ却小得反常，代入公式会被算成已经演化了几亿年的老脉冲星[7]。

少数已测得 X 射线脉冲的 CCO，其外部偶极磁场通常只有10^10到10^11高斯。相比之下，典型年轻脉冲星约10^12高斯，磁星更高达10^14到10^15高斯[8,9]。由于磁场方向与磁星截然相反，CCO又被称为“反磁星”（anti-magnetar）。

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弱磁场是天生还是伪装？

问题是，CCO的低磁场是天生如此，还是一种暂时的伪装？

天文学家提出了几种可能：也许CCO 诞生时外部偶极场就弱；也许超新星爆炸后有少量物质重新落回新生中子星，把磁力线压进地壳，暂时掩埋了外部磁场[10]；又或者，CCO 的大尺度偶极场虽弱，但地壳和内部可能存在缠结磁场、多极磁场或局部强磁场结构[11,12]。

这些解释不一定互相排斥，但都指向同一个问题：我们测到的弱磁场，未必是这颗星真正拥有的全部磁场。

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X 射线里的线索

1E 1207.4-5209早就是CCO中最受关注的一颗。它的X 射线中有稳定的424毫秒脉冲，能谱上排列着一组近似等间距的吸收线，位置约在0.7、1.4、2.1和2.8 keV。

这些吸收线通常被解释为强磁场中电子（或质子）回旋运动的产物——基频加几次谐波，物理上与强磁场中电子能级的量子化（朗道能级）有关。若按电子回旋吸收解释，推得磁场约8×10^10高斯，与自转参数推算的约9.8×10^10高斯接近；若按质子回旋吸收解释，对应的磁场则高得多。

长期 X 射线监测还显示，1E 1207.4-5209 在 2015 年前后可能出现过依次自转突变（glitch）。所谓自转突变，是中子星自转速率突然发生细小跳变，可能与内部超流体和固体地壳之间的角动量交换有关。这种现象在脉冲中子星和磁星中并不罕见，但在低磁场 CCO 中尤其珍贵。更有意思的是，这次计时异常没有伴随谱线能量的明显变化，提示谱线形成区域的局部磁场没有出现可测的改变。

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MeerKAT 听见了什么

研究团队利用MeerKAT在 UHF 波段（544-1088兆赫兹）对四个CCO进行定向搜索，最终在1E 1207.4-5209中探测到相干射电脉冲[1]。

射电脉冲周期为0.424秒，与X射线脉冲周期一致。信号的色散量（由电磁波穿过星际介质时不同频率达到时间的差异来表征）约69 pc cm^(-3)，由此结合银河系自由电子密度模型推算的距离，与宿主超新星遗迹的已知距离相符。这些证据说明，射电和X射线看到的是同一颗中子星。

它为什么此前一直没被发现？关键原因是太暗。研究团队测得它在816 MHz附近的平均流量密度只有几十微央斯基（μJy）量级，这是非常弱的信号，而且还会受到星际闪烁影响，强度随时间和频率大幅波动。

后续双频观测显示，1E 1207.4-5209 的线偏振比例很高，偏振几何暗示观测者的视线方向接近它的磁极方向。这意味着它的暗弱主要不是因为辐射束没有扫过地球，更可能是射电辐射的亮度本身就低。

这次发现最重要的意义在于，它第一次直接证明，至少有些 CCO 能拥有活跃磁层，能够产生相干射电辐射。CCO 与普通射电脉冲星之间，并不存在一条绝对边界。

此前所谓“CCO射电沉默”，很可能不是一个物理事实，而是混合了多种观测的结果：辐射束没有扫到地球、射电辐射太弱、星际闪烁让信号短时变暗，以及望远镜灵敏度不足。天文观测里的“没有发现”，并不总等于“没有发生”。

如果1E 1207.4-5209不是孤例，那么银河系中可能还藏着一批同样年轻、同样暗弱的中子星。它们诞生在超新星遗迹中，早期以热X射线、低外部磁场和极暗弱射电的形式出现；等遗迹消散，它们就会混入普通低磁场、低亮度脉冲星的群体，难以再从环境上辨认。

新发现提示了一条隐蔽的演化通道：有些看似年老的脉冲星，可能其实并不老，只是把自己的年轻藏了起来。

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继续等，继续听

“蓝眼睛”的谜题还远未解开。它的射电辐射是长期存在的微弱“低语”，还是 2015 年自转突变之后才短暂打开的窗口？它的外部磁场是在千年尺度上缓慢浮现，还是从诞生之初就以缠结的形式隐藏在地壳之下？其它 CCO 是否也有类似的暗弱射电脉冲，只是还没有被足够灵敏的望远镜听见？

这些问题需要更长期的射电监测、更深的X射线观测，以及计时、偏振、能谱和超新星遗迹年龄的联合分析。随着平方公里阵列（Square Kilometre Array，SKA）等新一代射电望远镜将灵敏度推向新高度，今天沉默的 CCO，也许会在某个时刻再次开口。

作者简介：

刘菲，清华大学天文系研究生；张蕾，中国科学院国家天文台博士。

参考文献：

[1] Zhang, L., Ridolfi, A., Li, D. et al. Pulsed radio emission from a central compact object. Nat. Astron. (2026). https://doi.org/10.1038/s41550-026-02899-2.

[2] Baade, W. & Zwicky, F. On Super-novae. Proceedings of the National Academy of Sciences 20, 254-259 (1934).

[3] Hewish, A., Bell, S. J. et al. Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source. Nature 217, 709-713 (1968).

[4] Pacini, F. Rotating Neutron Stars, Pulsars and Supernova Remnants. Nature 219, 145-146 (1968).

[5] Gold, T. Rotating Neutron Stars as the Origin of the Pulsating Radio Sources. Nature 218, 731-732 (1968).

[6] De Luca, A. Central compact objects in supernova remnants. Journal of Physics: Conference Series 932, 012006 (2017).

[7] Borghese, A. & Coti Zelati, F. The zoo of isolated neutron stars. arXiv e-prints arXiv:2502.17652 (2025).

[8] Gotthelf, E. V. & Halpern, J. P. Precise Timing of the X-ray Pulsar 1E 1207.4-5209: A Steady Neutron Star Weakly Magnetized at Birth. Astrophys. J. Lett. 664, L35-L38 (2007). 0704.2255.

[9] Gotthelf, E. V., Halpern, J. P. & Alford, J. The Spin-down of PSR J0821-4300 and PSR J1210-5226: Confirmation of Central Compact Objects as Anti-magnetars. Astrophys. J. 765, 58 (2013). 1301.2717.

[10] Ho, W. C. G. Evolution of a buried magnetic field in the central compact object neutron stars. Mon. Not. R. Astron. Soc. 414, 2567-2575 (2011). 1102.4870.

[11] Gourgouliatos, K. N., Hollerbach, R. & Igoshev, A. P. Powering central compact objects with a tangled crustal magnetic field. Mon. Not. R. Astron. Soc. 495, 1692-1699 (2020). 2005.02410.

[12] Igoshev, A. P., Gourgouliatos, K. N., Hollerbach, R. & Wood, T. S. 3D Magnetothermal Simulations of Tangled Crustal Magnetic Field in Central Compact Objects. Astrophys. J. 909, 101 (2021). 2101.08292.

文章转载自"赛先生"公众号