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来自中子星的脉动伽马射线每秒旋转707次

由位于汉诺威的马克斯普朗克引力物理研究所(阿尔伯特爱因斯坦研究所; AEI)领导的国际研究小组发现,无线电脉冲星J0952-0607也发射脉冲伽马辐射。J0952-0607在一秒钟内旋转707次,在快速旋转的中子星列表中排名第二。通过分析美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜大约8。5年的数据,过去两年的LOFAR无线电观测,两个大型光学望远镜的观测,以及LIGO探测器的引力波数据,该团队使用了一个多信使详细研究脉冲星二元系统及其轻量级伴随物的方法。他们的研究发表在天体物理学杂志上表明极端脉冲星系统隐藏在费米目录中并激励进一步搜索。尽管非常广泛,但该分析还提出了有关该系统的新未解答的问题。

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脉冲星是恒星爆炸的紧凑残余物,具有强磁场并且快速旋转。它们像宇宙灯塔一样发射辐射,可以作为无线电脉冲星和/或伽马射线脉冲星观测,这取决于它们对地球的方向。

球状星团外最快的脉冲星

PSR J0952-0607(名称表示天空中的位置)最初是在2017年通过无线电观测发现的,这是由费米伽玛射线太空望远镜确定的可能是脉冲星。没有检测到来自Fermi上的大面积望远镜(LAT)的数据中的伽马射线脉动。利用射电望远镜阵列LOFAR进行的观测确定了一个脉动射电源,并与光学望远镜观测结果一起测量了脉冲星的一些特性。它在6.2小时内绕着共同的质心旋转,伴星只有太阳的五十分之一。脉冲星在一秒内旋转707次,因此在我们的银河系中,在球状星团的密集恒星环境之外旋转最快。

寻找极其微弱的信号

利用二元脉冲星系统的先前信息,Lars Nieder,博士。AEI Hannover的学生,开始观察脉冲星是否也发射了脉冲伽马射线。 这次搜索非常具有挑战性,因为在8.5年的观测中,费米伽马射线望远镜仅记录了来自微弱脉冲星的大约200条伽马射线。在此期间,脉冲星本身旋转了2200亿次。换句话说,只有一次在每十亿次轮换中观察到伽马射线! Nieder解释道。 对于这些伽马射线中的每一个,搜索必须确定在每次发射1.4毫秒时的确切时间。

这需要以非常精细的分辨率对数据进行梳理,以免错过任何可能的信号。所需的计算能力是巨大的。对于微弱的伽马射线脉动的非常敏感的搜索将需要24年才能在单个计算机核心上完成。通过在AEI汉诺威使用Atlas计算机集群,它仅用了2天就完成了。

奇怪的第一次检测

我们的搜索发现了一个信号,但出了点问题!信号非常微弱,并且不是应该的位置。原因是:我们检测到J0952-0607的伽马射线,发现了初始光学望远镜中的位置误差我们用来定位分析的观察结果。我们发现的伽马射线脉动揭示了这个错误, Nieder解释道。 在报告无线电脉冲星发现的出版物中纠正了这个错误。新的和扩展的伽马射线搜索在校正位置发现了相当微弱但统计上显着的伽马射线脉冲星发现。

在发现并确认了脉冲星脉冲伽马辐射的存在之后,该团队回到费米数据并使用从2008年8月到2017年1月的整整8。5年来确定脉冲星及其二元系统的物理参数。由于来自J0952-0607的伽马辐射是如此微弱,他们必须增强他们之前开发的分析方法以正确地包括所有未知数。

J0952-0607的脉冲轮廓(脉冲星一次旋转期间的伽马射线光子的分布)显示在顶部。以下是十年观测中各个光子的相应分布。灰度显示单个光子来自脉冲星的概率(光子权重)。从2011年中期开始,光子沿着与脉冲轮廓相对应的轨道排列。这显示了伽马射线脉动的检测,这在2011年中期之前是不可能的。图片来源:L。Nieder /马克斯普朗克引力物理研究所

衍生的解决方案还有另一个惊喜,因为在2011年7月之前的数据中不可能从脉冲星中检测到伽马射线脉动。脉冲星在该日期之后似乎只显示出脉动的原因尚不清楚。它发射的伽马射线的变化可能是一个原因,但脉冲星是如此微弱,以至于无法以足够的准确度来测试这一假设。在类似系统中看到的脉冲星轨道的变化也可能提供一种解释,但数据中甚至没有暗示这种情况正在发生。

该团队还使用ESO在La Silla的新技术望远镜和La Palma的Gran Telescopio Canarias观察脉冲星的伴星。它很可能是像月球一样整齐地锁定在脉冲星上,因此一侧总是面向脉冲星并受到辐射的加热。当伴星围绕二元系统的质心运行时,其热的 日 侧和较冷的 夜 侧可从地球上看到,并且观察到的亮度和颜色变化。

这些观察产生了另一个谜团。虽然无线电观测指向脉冲星约4,400光年的距离,但光学观测意味着距离大约三倍。如果系统相对接近地球,它将具有前所未见的极其紧凑的高密度伴侣,而较大的距离与已知的类似脉冲星同伴的密度兼容。对这种差异的解释可能是来自脉冲星的粒子风中存在冲击波,这可能导致同伴的不同加热。使用费米LAT观测进行的更多伽马射线观测应该有助于回答这个问题。

AEI Hannover的另一组研究人员使用来自第一次(O1)和第二次(O2)观测运行的LIGO数据搜索来自脉冲星的连续引力波发射。脉冲星在有小山丘或颠簸时会发出引力波。搜索没有发现任何引力波,这意味着脉冲星的形状必须非常接近完美的球体,最高的凸起不到一毫米。

了解快速旋转的脉冲星很重要,因为它们是极端物理学的探测器。中子星在离开离心力之前能够多快地旋转是未知的,并且取决于未知的核物理学。像J0952-0607这样的毫秒脉冲星旋转得如此之快,因为它们已经被同伴的物质吸收而旋转。这个过程被认为是埋葬脉冲星的磁场。通过长期伽马射线观测,研究小组表明,J0952-0607具有脉冲星测量的十个最低磁场之一,符合理论预期。

我们将继续使用伽马射线,无线电和光学天文台研究这个系统,因为关于它的问题仍有待解决。这一发现再次表明极端脉冲星系统隐藏在费米LAT目录中, 布鲁斯 艾伦教授说。 ,Nieder的博士 AEI汉诺威的主管和主任。 我们还利用我们的公民科学分布式计算项目Einstein @ Home 在其他Fermi LAT资源中寻找二进制伽马射流脉冲星系统,并有信心在未来做出更多令人兴奋的发现。

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