天体物理学家解开困扰他们数十年的蟹状星云"斑马"条纹之谜

经过二十年的探索，研究人员现在知道了蟹状星云信号中独特的"斑马"图案的成因。 位于星云中心的一颗旋转的中子星（即脉冲星）产生了条纹效应，让人们得以一窥太空中的动态力量。 图片来源：NASA、ESA 和 Allison Loll/Jeff Hester（亚利桑那州立大学）： 戴维德-德-马丁（Davide De Martin）（欧空局/哈勃）

这项研究最近发表在著名期刊Physical Review Letters上，提供了对这一宇宙现象的突破性见解。在蟹状星云的中心，有一颗 12 英里宽的中子星，被称为脉冲星，它快速旋转并发出电磁辐射束，像宇宙灯塔一样横扫整个宇宙。

第一作者、昆士兰大学物理与天文学教授米哈伊尔-梅德韦杰夫（Mikhail Medvedev）说："这种类似灯塔光束的发射随着恒星的旋转反复掠过地球。我们观测到的是脉冲发射，通常每旋转一到两次。 我所讨论的这颗脉冲星被称为蟹状脉冲星，位于距离我们6000光年的蟹状星云中心。"

蟹状星云是1054年出现的一颗超新星的遗迹。库克大学的研究人员说："包括中文记载在内的历史记录描述了天空中出现的一颗异常明亮的恒星。"

为了更好地理解蟹状星云的斑马纹，Medvedev 建立了一个圆形反射区域的波衍射模型，该区域外的折射率呈径向变化。 资料来源：Mikhail Medvedev

梅德韦杰夫说，蟹状脉冲星与其他任何已知的脉冲星都不同，它具有斑马纹图案--电磁波谱中与波段频率成比例的不寻常波段间距，以及高偏振和稳定性等其他奇怪的特征。

他说："它非常明亮，几乎跨越了所有波段。 这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脉冲星的一个发射成分中。 主脉冲是一个宽带脉冲，是大多数脉冲星的典型特征，其他宽带成分则是中子星的常见特征。 然而，高频间歇脉冲是独一无二的，其频率范围在 5 到 30 千兆赫之间--与微波炉中的频率相似。"

自 2007 年的一篇论文发现这种模式以来，这位昆士兰大学的研究人员说，这种模式让研究人员感到"困惑"。研究人员提出了各种发射机制，但都无法令人信服地解释所观察到的模式。

利用蟹状脉冲星的数据，梅德韦杰夫建立了一种利用波光学的方法，利用电磁脉冲中发现的条纹图案来测量脉冲星等离子体--带电粒子（电子和正电子）"气体"--的密度。

"如果有一个屏幕，电磁波经过时，波不会直接传播。在几何光学中，障碍物投下的阴影会无限延伸--如果你在阴影中，就没有光，在阴影外就能看到光。 但是，波光学引入了一种不同的行为--波绕着障碍物弯曲并相互干涉，由于建设性和破坏性干涉，产生了一系列明亮和暗淡的条纹。"

这种众所周知的条纹现象是由一致的建设性干涉造成的，但当无线电波在中子星周围传播时却具有不同的特征。

梅德韦杰夫说："如果我们只有一颗中子星作为屏蔽，典型的衍射图样就会产生间隔均匀的条纹。但在这里，中子星的磁场产生的带电粒子构成了致密的等离子体，它随距离中子星的远近而变化。 无线电波在等离子体中传播时，会经过稀释区，但会被致密等离子体反射。 这种反射因频率而异： 低频反射半径大，投下的阴影也大，而高频产生的阴影较小，导致边缘间距不同。"

通过这种方法，梅德韦杰夫确定蟹状脉冲星的等离子体物质导致了电磁脉冲的衍射，从而造成了中子星奇异的斑马纹。

"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。"通过分析边缘，我们可以推断出磁层中等离子体的密度和分布。 这太不可思议了，因为这些观测数据可以让我们将流纹测量结果转化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。"

下一步，我们可以通过收集蟹状脉冲星的更多数据来检验他的理论，并将其强大而奇特的引力和极化效应考虑在内，对理论进行微调。 对等离子体物质如何改变脉冲星信号的新认识将改变天体物理学家对其他脉冲星的理解。

他说："蟹状脉冲星有些独特--按照天文学标准，它相对年轻，只有大约一千年的历史，而且能量很高。但它并不孤单；我们知道有数百颗脉冲星，其中有十几颗也很年轻。 已知的双脉冲星曾被用来检验爱因斯坦的广义相对论，也可以用提出的方法进行探索。 这项研究确实可以拓宽我们对脉冲星，尤其是年轻、高能脉冲星的理解和观测技术。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.205201