近期，中國科學院上海天文臺天馬射電望遠鏡團組利用天馬射電望遠鏡對9顆毫秒脈沖星進行S/X波段雙頻同時觀測，通過雙頻互校技術(shù)成功得到了這9顆毫秒脈沖星X波段（8.60 GHz）的積分輪廓。該研究將具有8 GHz以上積分輪廓資料的毫秒脈沖星的數(shù)量從原先的4顆擴充至11顆，顯著擴充了有關(guān)樣本數(shù)。結(jié)合其它頻率上已發(fā)表的觀測結(jié)果，天馬望遠鏡團組首先研究了這9顆毫秒脈沖星的頻譜、多頻積分輪廓演化，發(fā)現(xiàn)9顆毫秒脈沖星在高頻射電的積分輪廓寬度和峰間距與低頻相比沒有明顯變化，其中有4顆毫秒脈沖星的射電頻譜存在轉(zhuǎn)折。此外，他們還進一步揭示了毫秒脈沖星PSR J1713+0747在2021年4月16日前后發(fā)生的一次不同尋常的輪廓變化事件的物理起源。相關(guān)成果于2024年1月12日發(fā)表在《天體物理學雜志》（The Astrophysical Journal）上。

毫秒脈沖星，是一類自轉(zhuǎn)周期為毫秒量級的轉(zhuǎn)動極快的脈沖星。它們被認為是經(jīng)歷了“吸積再加速”過程的年老脈沖星，迄今為止已有500多顆被天文學家發(fā)現(xiàn)，約占目前已知脈沖星總數(shù)的15%。通常認為，脈沖星的高頻射電輻射區(qū)比低頻射電輻射區(qū)更靠近星體表面，而脈沖星的積分輪廓可直觀反映其輻射區(qū)結(jié)構(gòu)，因此多頻觀測對探測其三維輻射區(qū)結(jié)構(gòu)并進一步理解其射電輻射機制具有重要意義（脈沖星輻射示意圖見圖1）。

圖1，脈沖星多頻射電輻射示意圖：脈沖星就像宇宙中的“燈塔”，隨著其快速自轉(zhuǎn)，來自于磁極附近區(qū)域的束狀輻射（“輻射束”）有規(guī)律地掃過望遠鏡，觀測者便有機會觀測到周期性脈沖輻射。通常認為，脈沖星高頻射電輻射區(qū)比低頻射電輻射區(qū)更加靠近星體表面。（此圖是在B. Saxton，NRAO/AUI/NSF的原始圖片上進行加工而成）

近年來，天文學家利用新建的LOFAR、MWA等陣列望遠鏡已在幾百MHz以下的低頻射電波段獲得了一批脈沖星的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)，而脈沖星（尤其是毫秒脈沖星）高頻（>8 GHz）觀測資料依舊稀缺，僅有6顆毫秒脈沖星報道過8 GHz以上的觀測結(jié)果（其中4顆給出了積分輪廓）。究其原因，一是由于脈沖星的射電輻射流量通常隨著觀測頻率升高而迅速降低（表現(xiàn)為較陡的冪律譜），二是由于毫秒脈沖星通常比普通脈沖星的射電輻射更加暗弱。在望遠鏡口徑等觀測條件已定的情況下，要實現(xiàn)脈沖星高頻射電觀測研究的突破就需要積累比低頻波段百倍以上的觀測時間。但是，讓望遠鏡盯著一顆脈沖星連續(xù)觀測這么長時間顯然不現(xiàn)實，因為望遠鏡觀測時間非常寶貴，再加上觀測目標源也會“東升西落”，因此諸多因素使得目前的望遠鏡對脈沖星進行如此連續(xù)長時間的高頻段觀測變得難以實現(xiàn)。

為了克服對脈沖星進行高頻觀測的困難，研究團隊發(fā)揮天馬射電望遠鏡可在S/X波段進行雙頻段同時觀測的優(yōu)勢，發(fā)展出“雙頻互校技術(shù)”。該技術(shù)利用高信噪比的低頻S波段（2.25 GHz）觀測數(shù)據(jù)進行計時分析并生成更精確的計時模型星表，然后將該星表用于把跨越數(shù)十天（甚至數(shù)百天）的X波段（8.60 GHz）同時觀測數(shù)據(jù)進行疊加。由于新生成的星表“明察秋毫”地反映脈沖星信號到達時間行為，從而保證了X波段脈沖信號在疊加前能夠精確對齊（天文學上稱“相干疊加”），有效提高信號和噪聲的比例。如圖2所示，盡管單次毫秒脈沖星觀測在X波段無法清晰探測到其脈沖信號，但是通過將多次觀測數(shù)據(jù)進行相干疊加最終得到了其高質(zhì)量積分輪廓。

圖2，利用雙頻互校技術(shù)對天馬望遠鏡S/X波段毫秒脈沖星PSR J1643-1224觀測數(shù)據(jù)分析流程示意圖：左側(cè)為某次45分鐘的S/X雙頻同時觀測得到的積分輪廓；右側(cè)展示了S和X波段分別疊加所有觀測數(shù)據(jù)后的積分輪廓（S和X波段分別用藍色和紅色表示）。

利用該方法，研究團隊成功得到了9顆毫秒脈沖星在8.60 GHz的積分輪廓，其中疊加觀測次數(shù)最多的毫秒脈沖星PSR J1012+5307，在8.60 GHz總共采用了81次觀測，時間跨度長達1210天。這9顆毫秒脈沖星中有7顆是第一次得到其8 GHz以上的積分輪廓，另外2顆的積分輪廓相比歷史結(jié)果也有更好的信噪比。研究團隊利用天馬望遠鏡系統(tǒng)等效流量密度同時估算了這9顆毫秒脈沖星在2.25 GHz和8.60 GHz的平均流量密度，結(jié)合已發(fā)表的其它頻率流量密度數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)有4顆毫秒脈沖星存在頻譜轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，其射電頻譜需要用分段冪律譜進行描述（見圖3）。這與在一些普通脈沖星中觀測到的頻譜轉(zhuǎn)折現(xiàn)象相似但轉(zhuǎn)折頻率相對更高，其原因有待進一步揭示。

圖3，觀測獲得的9顆毫秒脈沖星射電頻譜，縱橫坐標分別為流量密度和觀測頻率，其中4顆毫秒脈沖星存在頻譜轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。

通常情況下，毫秒脈沖星的積分輪廓穩(wěn)定性遠高于普通脈沖星，目前僅有三顆毫秒脈沖星報道過存在積分輪廓的變化（不包括特殊情況下由于相對論性進動造成積分輪廓改變的毫秒脈沖星），其中包括毫秒脈沖星PSR J1713+0747。歷史上曾經(jīng)兩次探測到PSR J1713+0747輪廓變化事件，但由于輪廓變化幅度很小，天文學家無法確定這種變化與頻率是否有依賴關(guān)系。研究者提出多種模型解釋其輪廓變化，比較有代表性的有星際介質(zhì)“透鏡”效應和本征磁層擾動兩類模型。PSR J1713+0747大約從2021年4月16號前后又發(fā)生了輪廓變化現(xiàn)象。盡管天馬團隊沒有2021年4月16日當天對該星的觀測數(shù)據(jù)，但是他們積累了一些后續(xù)多頻觀測資料。通過對這些數(shù)據(jù)進行深入分析，他們發(fā)現(xiàn)PSR J1713+0747積分輪廓變化的幅度在2.25 GHz到8.60 GHz之間隨觀測頻率增高而顯著增大。該發(fā)現(xiàn)很大程度上排除了星際介質(zhì)“透鏡”效應的有關(guān)模型。因而，天馬團隊傾向于將此次PSR J1713+0747輪廓變化事件解釋為起源于脈沖星磁層中的某種變化。研究團隊認為，后續(xù)開展更多輪廓變化現(xiàn)象的多波段觀測，將幫助天文學家進一步理解脈沖星磁層和射電輻射機制。

除了天馬團隊成員外，來自廣州大學、中國科學院新疆天文臺多位研究者廣泛參與了這項工作。該研究在國家重點研發(fā)項目、上海市自然科學基金、國家自然科學基金、天馬望遠鏡重大成果培育項目支持下完成，并且得到了天馬望遠鏡運行團隊的有力保障。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad0724

科學聯(lián)系人：

閆振，中國科學院上海天文臺，yanzhen@shao.ac.cn

沈志強，中國科學院上海天文臺，zshen@shao.ac.cn