脉冲星简介以及脉冲星的形成过程（FAST发现的毫秒脉冲星究竟是个啥）

出品：科普中国

制作：蕉叶

监制：中国科学院计算机网络信息中心

近日中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜（FAST）首次发现的毫秒脉冲星得到国际认证，这是 FAST 继发现脉冲星之后的另一重要成果。这颗毫秒脉冲星J0318 0253的周期为5.19毫秒。

图1 新发现的毫秒脉冲星 PSR J0318 0253 位置和积分脉冲轮廓。（左图）PSR J0318 0253所在伽马射线巡天图像的位置；（右图a）FAST 一小时跟踪观测获得的射电波段积分脉冲轮廓；（右图b）折叠 Fermi-LAT 累积9年数据所获得的伽马光子积分脉冲轮廓。

啥是毫秒脉冲星？FAST之前找到的脉冲星又是啥？究竟还有多少我们不知道的脉冲星？

不了解脉冲星？戳这里补课：中国人第一次用自己的望远镜找到新脉冲星！FAST首秀实力不俗！（https：//mp.weixin.qq.com/s/S1danGw8hMQYHWxgWkO23Q）

三类脉冲星 到底如何划分？

望远镜对准脉冲星进行观测，往往能收到周期性的脉冲信号。这也正是脉冲星名字的由来。而这个周期，就是脉冲星一个重要观测参数。有人可能要抢答了：毫秒脉冲星就是周期是毫秒量级的脉冲星。然而，事情并没有那么简单。

故事还是要从脉冲星的分类讲起。虽然脉冲星的分类和它的周期有关，但并不只是单单依据周期进行“一刀切”，而还要看周期变化率。

我们观测到的脉冲星信号，虽然在短时间内周期几乎看不出变化，但如果分析长时间的观测数据就会发现，它们的周期是会变化的。而周期变化的快慢，即周期变化率，也是脉冲星一个重要的观测量。

如果以脉冲星的周期为横轴，周期变化率为纵轴，在二维图上点出已知的脉冲星，那么将得到以下这么一张神奇的关系图。

图2 脉冲星“周期/周期变化率”关系图。注意图中横轴使用了对数坐标，纵轴虽然是线性坐标，但数值是取对数之后的。图片来自《脉冲星天文学》（英文）一书。

大家可以看到，图上的标记大致分成了三块。

中间主要由黑色点组成的一块数量最多，我们有时统称其为“正常脉冲星”，周期大概在0.5秒左右。周期变化率则说明每隔一秒这些脉冲星的周期就会缩短大概10的-15次方秒。

右上角有少量空心三角形抱团。观测表明这些脉冲星的磁场比较强大，所以我们称它们为“磁星”。磁星的周期比正常脉冲星要长一些，周期更不稳定（周期变化率更大）。

左下角主要由带圆圈黑点组成的一坨，就是今天的主角——毫秒脉冲星。这些脉冲星的周期大部分在10毫秒以下，同时它们的周期变化率比正常脉冲星小了约十万倍。

毫秒脉冲星是从正常脉冲星变来的？！

从上图可以看到，如果单纯以周期“一刀切”，那么有一小部分的正常脉冲星（主要是正常脉冲星左上角部分）也会被划分到毫秒脉冲星里面。

觉得文字看的晕的直接看下图。

图3 三类脉冲星分布示意图。

为啥要在意小部分正常脉冲星是否被错误地划分到毫秒脉冲星里面呢？

因为这两者的性质不一样啊！

我们看到，图上用了不用的符号来表示脉冲星。不用的符号代表了对应的脉冲星带有附加属性。带圆圈黑点是处于双星系统中的脉冲星；五角星是和超新星遗迹挨在一起的脉冲星；空心三角是伽马或X射线观测到的脉冲星；实心三角是在射电波段没有辐射的脉冲星。

这里只说说其中的两类：双星系统中的脉冲星，及与超新星遗迹一起的脉冲星。

仔细观察脉冲星“周期/周期变化率”关系图，我们会发现那些与超新星遗迹在一起的脉冲星（五角星）都集中在正常脉冲星左上角。脉冲星诞生于超新星爆炸，而超新星遗迹就是爆炸遗留下来的气体。著名的蟹状星云就是一个超新星爆炸遗迹，而星云中间还有一颗著名的脉冲星，即蟹状星云脉冲星。

为啥只有这么少量的脉冲星是待在超新星遗迹边上的？答案是：这些都是些年轻的脉冲星。而当脉冲星“长大”（这里只是表示年龄变大，不是指体积、质量变大）之后，就会离开“襁褓”了。一个著名的例子是吉他星云及其中的脉冲星。

图4 编辑自海尔望远镜于1992年拍摄的吉他星云图片。图片来源：http://www.astro.cornell.edu/~shami/guitar/

在吉他星云“琴头”部位里藏有一颗脉冲星。一般认为，这次超新星爆炸得不太均匀，使原本生成于“琴腹”中的脉冲星被炸飞了出去，慢慢地拉出现在看到类似吉他的星云形状。由于这颗脉冲星被炸飞出去的速度很快，现在正以大约1600公里每秒的速度远离星云，所以如果每隔几年去拍一张照片，能看出星云明显被拉得更长了。

图5 哈勃望远镜于不同年份拍摄的吉他星云，能明显看出星云变长了。注意，图中背景恒星的位置是相对固定的，只有星云形状变化。图片来源：http://www.astro.cornell.edu/~shami/guitar/

所以，随着时间的推移，很多脉冲星就远离了其原本所在的超新星遗迹。此外，根据能量守恒我们知道，脉冲星不可能一直辐射能量而不损失能量。脉冲星损失的正是它的自转动能。这将导致它的周期逐渐变短，进而慢慢落入到正常脉冲星那一大团黑点里面了。

如果故事继续发展下去，脉冲星的自转能量进一步损失，那它在“周期/周期变化率”关系图中的位置就会慢慢往右下角移动，最终进入右下角灰色三角区域——脉冲星“坟墓”区。进入坟墓之前，脉冲星的辐射会变得时有时无，最终进入坟墓“死去”，不再发出辐射。不过“坟墓”区仅仅只是理论研究结果，实际上也有“僵尸”脉冲星存在（处在坟墓中但仍然发出信号）。

FAST此前发现的脉冲星，都属于“正常脉冲星”。其中有一颗比较靠近“坟墓”，辐射时有时无，很多时候探测不到它的信号了。

有一部分脉冲星比较幸运，它们边上有另外一颗恒星。这就是双星中的脉冲星。这些脉冲星，当距离边上的恒星足够近时，可以通过吸收对方的物质来“抵抗衰老”。在吸收物质的过程中，这些脉冲星的自转速度会越来越快，脉冲信号的周期随着变短。它们的周期变化率也会变小，即周期更加稳定。它们就这样靠着他星的能量，慢慢地从“正常脉冲星”那一堆分布中朝左下角移动，最终成为一颗毫秒脉冲星。

我知道大家看字又要看晕了，请看下图总结：

图6 正常情况下，脉冲星大致沿着带箭头红色实线生老病死。小部分脉冲星靠着吸积伴星物质，沿着带箭头红色虚线发育成毫秒脉冲星。

脉冲星的分类，最终还和它们的演化阶段有关系。这也是为什么我们说不能单靠周期来划分脉冲星类型的原因之一。

所以回到题目，这次发现的毫秒脉冲星究竟是个啥？

答：是一类依靠吸积伴星物质加速成为周期又短又稳定的脉冲星。

呵~科学家们还真是严格呢！

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