隐藏在“Crab Pulsar”太空灯塔中的X射线闪光

南山愚公

​​成果概要：由RIKEN研究开发本部负责人榎户辉扬，客座研究员Hu Chin-Ping(国立彰化师范大学助教 )，名誉退休教授寺泽敏夫(Toshio Terazawa)副教授，浅野胜明(Katsuaki Asano 副教 授，广岛大学木坂将大 Kiroshima International 助教，航空航天研究所副教授村田康宏， 情报通信研究组织的研究管理员，美国航空航天局的Keith Gendru NICER团队代表 Zaben Arzomenian NICER团队组的国际共同研究小组检测到的X射线与快速旋转的中子星 “蟹状星 云脉冲星”产生的“巨大无线电脉冲(GRP 同步增强。 这项研究成果在过去20年里一直无法实现，有望为阐明遥远宇宙中快速射电暴FRB 的起 源和产生机制作出贡献！
蟹状星云脉冲星产生的GRPs偶尔会急剧变亮。 人们曾认为，这种脉冲增亮只能发生在无线 电波中。 然而最近，人们发现了与GRP同步的可见光脉冲轻微变亮的现象，人们对更高能量 的X射线和伽马射线是否发生同样的现象产生了极大的兴趣。 这次，一个国际研究合作小组与美国国家航空航天局在国际空间站上的X射线望远镜 NICER Nysser和日本的两台射电望远镜合作，从2017年开始持续对X射线和无线电波 进行同步观测。 我们发现，在生成GRP的瞬间，X射线脉冲也被强化了约4%。 这表明 ，GRP释放的能量比以前认为的要多得多。
巨蟹座脉冲星的巨大射电脉冲同步的x射线强化现象
背景:
当一颗大质量恒星完成其生命并变成超新星时，会留下一个黑洞或中子星。 在中子星中，质 量为太阳1.4倍的物质被挤压在半径约10公里的范围内，一个糖块大小的体积中会形成1亿吨 重的超高密度状态。 在中子星的外面是一个充满强磁场和等离子体的磁层，当它随着磁层以 每转几毫秒到几十秒的高速旋转时，会发射出无线电波和X射线。 因此，当中子星的辐射指 向地球时，可以观察到与旋转有关的周期性脉冲。 产生这种脉冲的中子星也被称为脉冲星，有时被称为 "宇宙的灯塔"。
蟹状星云在金牛座方向闪耀着美丽的光芒，距离地球约6500光年，是1054年发生的超新星爆 炸的遗留物，这次爆炸也被藤原祯一记录在《瞑想》中。 巨蟹座脉冲星位于星云的中心，自 1968年被发现以来，几乎所有波长的电磁波都被观测到，如​无线电波、可见光、X射线和伽 马射线。



蟹状星云和蟹状脉冲星的多波长合成图像（美国国家航空航天局提供）

这张蟹状星云和蟹状脉冲星的图片是由X射线观测卫星钱德拉观测的X射线(蓝色)、哈勃太 空望远镜观测的可见光(红色和黄色)以及斯皮策太空望远镜观测的红外光(紫色)合成的 。 X射线中很亮中心点源就是巨蟹脉冲星，高能量的等离子体从这里被吹到周围。
然而，人们对蟹状脉冲星的辐射机制仍然知之甚少，其中一个谜团是巨大无线电脉冲 (GRP)，其中周期性的无线电脉冲零星地变得比正常情况下亮10到1000倍。 根据玻色-爱 因斯坦理论，必须提高辐射源的有效温度才能增加无线电波的强度，而GRP无线电波的强度 可以转化为1037K或更高的温度，这超过了现代物理学能够处理的温度上限(普朗克温度为 1032K 因此，它不能用通常的辐射机制来解释。
在地球所在的银河系，已经发现了大约2800颗脉冲星，但其中只有十几颗产生GRP 直到现 在，人们还认为像GRP这样的脉冲强化现象只能由无线电波产生。 然而，在2003年，天文 学家们惊讶地发现了一个现象，即使用高速相机的可见光脉冲与GRPs同步变亮百分之几 这 一现象令天文学家感到惊讶，因为在发现之前，人们认为脉冲星的无线电波和其他波长(可见光、X射线和伽马射线)的发射机制是不同的。 因此，人们对是否能在更高能量的X射线 和伽马射线中发现类似的强化现象产生了极大的兴趣。 然而，在过去的20年里，有几个小组 进行了大规模的观测项目，但未能确认任何X射线或伽马射线的强化。
研究手法与成果
与GRP同步搜索X射线和伽马射线的最具挑战性的方面之一是以前的望远镜无法收集足够数 量的X射线和伽马射线光子。 美国国家航空航天局(NASA)的新一代X射线望远镜NICER于 2017年安装在国际空间站上，目标是阐明中子星内部物质的致密状态，在为观测中子星而优 化的能量范围内拥有前所未有的X射线收集能力，极高的时间分辨率，以及在不使探测器饱 和的情况下测量明亮物体的能力，这对搜索GRP是非常有帮助的



图二：国际空间站上的一个X射线望远镜NICER的照片（NASA提供）

从2017年开始的大约两年时间里，国际合作组协调X射线望远镜Nicer和两个日本射电望远镜 (如下所述)共进行了15次国际同步X射线和射电观测，积累了迄今为止最大量的同步和多 波长的X射线和射电数据。 作为分析的结果，发现X射线脉冲在与GRP同步时被加强了约 4%图3



蟹状脉冲星的脉冲波形和检测到的X射线强化程度

图3（上图）:X射线望远镜nicer(黑线)观测到的螃蟹脉冲星的两个时期的X射线脉冲波形，以及 同时观测到的巨大射电脉冲(GRP)的时间(蓝线)。 一个周期内有两种类型的脉冲:主脉 冲(脉冲相位在0左右)和间脉冲(脉冲相位在0.4左右)。 下图是上图中主脉冲区的放大图。 黑线是正常的X射线波形，红线是GRP发生时的脉冲;你 可以看到，GRP发生时，脉冲变得稍微明亮。
尽管X射线的放大率和可见光的放大率一样小，但是由于我们使用比以前的X射线和伽马射线 观测更灵敏的探测器，首次成功地探测到了它图4



图4与巨星无线电脉冲GRP同步的可见光X射线和伽马射线的放大率

左上角的粉红色线条表示GRP在无线电波段的放大系数;WHT和Hale用可见光观测 ，Nicer Chandra Hitomi和Suzaku用X射线观测，其余用伽马射线观测。 可见光和较好的 数值是实际检测值，其他数值是上限。 上方的相位表示脉冲相位。
即使X射线的强度小到4%，但在生成GRP过程中释放的能量比以前认为的要大几百倍，因为 X射线释放的能量比无线电波大得多。 目前，有一个GRP发射机制的理论模型，它源于脉冲 星磁层中高速等离子体的猛烈爆发，在未来，可能能够解释X射线强化的问题。 这一发现也 为脉冲星中与等离子体爆发和无线电发射有关的高能粒子的产生提供了新的见解。
本研究使用的两台射电望远镜分别是由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA 运营的宇田深空 中心(长野县佐久市)的64米射电望远镜(64米抛物面天线)和由日本国家信息与通信技术 研究所(NICT 运营的鹿岛空间技术中心(茨城县鹿岛市)的鹿岛34米射电望远镜(34米抛 物面天线) 在两台射电望远镜的数据采集方面，我们利用JAXA和NICT联合开发的宽带数 字信号记录仪，实现了高精度的数据接收。 宇田深空中心64米射电望远镜也被用作空间探测 器的操作支持核心，这个记录器也被用来确定小行星探测器 "隼鸟2号 "的轨道。 此外，鹿岛 34米射电望远镜一直被用作射电天文学的重要仪器，但它在2019年被第15号台风严重损坏， 其运行被终止。 因此，这项研究是鹿岛34米射电望远镜留下的最后的宝贵成果之一。



图5 鹿岛的34米射电望远镜(左，由NICT提供)和宇田深空中心的64米射电望远镜(由 JAXA提供)。

对未来的期望 GRP的发现对于阐明发生在遥远宇宙中的神秘的快速射电暴(FRB)也很重要。 GRP一直 被认为是解释FRB的理论模型之一，因为它与FRB相似。 然而，现在已经发现，GRP在X射 线中释放出巨大的能量，比以前认为的要多，因此很难用简单的GRP模型来解释FRB
另一方面，一种具有宇宙中最强磁场的中子星，即超强磁场中子星(Magnetar)的爆发活动 ，正在成为一个有希望的FRB候选者。 目前的结果为年轻和活跃的磁星产生的GRP提供了重 要的见解，这将通过多波长的无线电和X射线观测进行研究。



图6 NICERX射线望远镜以及鹿岛和宇田射电望远镜的同步观测

补充说明
1.中子星
当一颗比我们的太阳重得多的恒星到达其生命的终点时，就会发生超新星爆炸。 当恒星的外 围部分被炸毁时，恒星的中心部分内爆，成为一颗中子星。 中子星是一个高密度的天体，其 质量与太阳的质量差不多，半径约为10公里，具有一个强磁场。 当在它旋转时观察到周期性 的电磁波脉冲时，它被称为脉冲星。
2.巨大的无线电脉冲(GRP) 一种现象，周期性的无线电脉冲有时会使无线电强度增亮几个数量级或更多。 这是一种射电 暴现象，除了蟹形脉冲星之外，还从几个脉冲星中检测到了这种现象。 GRP代表巨大的无线 电脉冲。
3.快速无线电爆发(FRB 强烈的无线电波突然从宇宙的一个方向发射出来，持续时间约为一毫秒的现象。 众所周知， 它来自于我们银河系之外的宇宙学距离。 无线电波极其明亮，而且其来源不明，因此成为近 年来天文学界的一个热门研究课题。 据报道，其中一些爆发是由同一来源重复发生的，在某 些情况下，相应的母星系已经被确认。FRB指的是快速无线电爆发。
4.X射线望远镜 NICER
2017年安装在国际空间站上的一个大面积X射线望远镜。 该望远镜由56台X射线望远镜(52 台在轨)组合而成，其有效面积为1900平方厘米，是有史以来在1.5千伏附近最大的望远镜 。 NICER是Neutron star Interior Composition ExploreR的缩写。
5.超新星爆炸 当一颗大质量恒星内部的核聚变反应的燃料耗尽，并由于引力塌缩而崩溃时，就会发生超新 星爆炸。 超新星不仅在可见光中闪闪发光，而且还在许多波长中被观测到，包括X射线和无 线电波，而且在SN 1987A中检测到了超新星中微子。 在超新星爆炸后，可能会留下一颗中 子星或黑洞，并在其周围形成一个超新星遗迹。​​​​​​​