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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星自轉(zhuǎn)狀態(tài)突變導(dǎo)致星風(fēng)云亮度變化

2019-08-27 高能物理研究所

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　　脈沖星是高速轉(zhuǎn)動的強(qiáng)磁場中子星，是大質(zhì)量恒星壽命晚期發(fā)生超新星爆發(fā)的過程中形成的，其半徑只有10千米左右，而典型磁場約為一萬億高斯，相當(dāng)于地球磁場的兩萬億倍。根據(jù)脈沖星經(jīng)典輻射理論，高速自轉(zhuǎn)的脈沖星通過磁偶極輻射釋放能量，同時自轉(zhuǎn)減慢；但越來越多的理論家認(rèn)為，高速旋轉(zhuǎn)的磁場也會產(chǎn)生以接近光速向外運(yùn)動的星風(fēng)，這是導(dǎo)致脈沖星自轉(zhuǎn)減慢的主要原因。脈沖星風(fēng)和周圍環(huán)境作用，會形成空間尺度為幾光年（地球到太陽距離的十萬倍左右）的脈沖星風(fēng)云（見圖1）。著名的蟹狀星云就是這樣一個脈沖星風(fēng)云。

　　2011年12月，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星PSR B0540-69的自轉(zhuǎn)減速率突然增加了約36%，然后保持穩(wěn)定，這說明其自轉(zhuǎn)能釋放功率也增加了36%。此前，在多顆脈沖星中也觀測到了這類脈沖星自轉(zhuǎn)減速率突變的現(xiàn)象，它們同時伴隨著脈沖星脈沖輻射輪廓和流強(qiáng)的變化。由于脈沖輪廓和磁場結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，因此這些自轉(zhuǎn)減速率突變被認(rèn)為是脈沖星磁場結(jié)構(gòu)的變化引起的；但是與那些脈沖星不同，PSR B0540-69在自轉(zhuǎn)減速率突變后，并沒有表現(xiàn)出X射線輻射特征（脈沖流強(qiáng)和輪廓）的顯著變化，其起因成了未解之謎。

　　通過分析多顆X射線天文衛(wèi)星對PSR B0540-69的觀測數(shù)據(jù)，葛明玉等人發(fā)現(xiàn)，在該脈沖星發(fā)生自轉(zhuǎn)減慢速率轉(zhuǎn)換之后，圍繞在其周圍的脈沖星風(fēng)云的亮度在約400天內(nèi)逐漸增加了32±8%，與該脈沖星自轉(zhuǎn)減速率的突變幅度相當(dāng)（見圖2）。對比分析PSR B0540-69脈沖輻射和星風(fēng)云輻射的特性，研究組認(rèn)為，導(dǎo)致脈沖星自轉(zhuǎn)減慢率突變的主要原因是脈沖星磁極區(qū)域的磁場升高。由于磁極區(qū)域磁場的變化和星風(fēng)的強(qiáng)度直接相關(guān)，但對X射線脈沖輻射區(qū)的影響不大，因此可以合理地解釋所有的觀測現(xiàn)象。

　　該工作首次在觀測上建立了從脈沖星自轉(zhuǎn)加速率突變，星風(fēng)增強(qiáng)到星風(fēng)云變亮的時間和邏輯關(guān)系，也證明星風(fēng)是導(dǎo)致該脈沖星自轉(zhuǎn)變慢的主要原因。星風(fēng)云增亮的時標(biāo)還表明星風(fēng)云中的磁場為約0.8毫高斯，這個直接測量值與之前在能量均分假設(shè)下推算的數(shù)值相當(dāng)。葛明玉為該研究論文的第一作者，盧方軍、葛明玉為論文聯(lián)合通訊作者。參加該研究的還有安徽建筑大學(xué)博士閆林麗，南京師范大學(xué)博士翁山杉，高能所研究員張雙南、博士王靈俊和研究生張偉，美國麻省大學(xué)教授王青德以及河北工程大學(xué)博士李子健。

　　該項(xiàng)目得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃大科學(xué)裝置專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委員會以及中國科學(xué)院-國家自然科學(xué)基金委員會空間科學(xué)聯(lián)合基金的支持。

　　圖1：脈沖星及脈沖星風(fēng)云系統(tǒng)的示意圖，中間的橙色部分代表脈沖星（僅為示意繪制，天體大小不反映實(shí)際比例）。（圖片來源：高能所）

　　圖2：PSR B0540-69及其星風(fēng)云的光度變化。（a）脈沖星和星風(fēng)云總的X光度變化，可以明顯看出脈沖星自轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生突變之后，X射線光度在逐漸增加并達(dá)到飽和；（b）PSR B0540-69脈沖輻射本身的光度一直保持不變；（c）脈沖星和星風(fēng)云總體的輻射能譜指數(shù)沒有明顯變化。圖中豎的虛線表示自轉(zhuǎn)狀態(tài)突變的時間。（圖片來源：高能所/Nature Astronomy）

　　中國科學(xué)院高能物理研究所葛明玉、盧方軍帶領(lǐng)的國際合作研究小組發(fā)現(xiàn)位于大麥哲倫星云星系中的脈沖星PSR B0540-69在自轉(zhuǎn)減速率突然增加之后的一年多時間里，其星風(fēng)云的X射線亮度逐漸增亮了相當(dāng)?shù)谋壤?。這是天文學(xué)家第一次觀測到脈沖星自轉(zhuǎn)狀態(tài)突變導(dǎo)致脈沖星風(fēng)云亮度變化的現(xiàn)象，為研究脈沖星自轉(zhuǎn)減速機(jī)制、脈沖星磁場結(jié)構(gòu)以及脈沖星風(fēng)云的基本物理性質(zhì)提供了重要的觀測依據(jù)。相關(guān)結(jié)果于北京時間8月26日在《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）在線發(fā)表。
　　脈沖星是高速轉(zhuǎn)動的強(qiáng)磁場中子星，是大質(zhì)量恒星壽命晚期發(fā)生超新星爆發(fā)的過程中形成的，其半徑只有10千米左右，而典型磁場約為一萬億高斯，相當(dāng)于地球磁場的兩萬億倍。根據(jù)脈沖星經(jīng)典輻射理論，高速自轉(zhuǎn)的脈沖星通過磁偶極輻射釋放能量，同時自轉(zhuǎn)減慢；但越來越多的理論家認(rèn)為，高速旋轉(zhuǎn)的磁場也會產(chǎn)生以接近光速向外運(yùn)動的星風(fēng)，這是導(dǎo)致脈沖星自轉(zhuǎn)減慢的主要原因。脈沖星風(fēng)和周圍環(huán)境作用，會形成空間尺度為幾光年（地球到太陽距離的十萬倍左右）的脈沖星風(fēng)云（見圖1）。著名的蟹狀星云就是這樣一個脈沖星風(fēng)云。
　　2011年12月，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星PSR B0540-69的自轉(zhuǎn)減速率突然增加了約36%，然后保持穩(wěn)定，這說明其自轉(zhuǎn)能釋放功率也增加了36%。此前，在多顆脈沖星中也觀測到了這類脈沖星自轉(zhuǎn)減速率突變的現(xiàn)象，它們同時伴隨著脈沖星脈沖輻射輪廓和流強(qiáng)的變化。由于脈沖輪廓和磁場結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，因此這些自轉(zhuǎn)減速率突變被認(rèn)為是脈沖星磁場結(jié)構(gòu)的變化引起的；但是與那些脈沖星不同，PSR B0540-69在自轉(zhuǎn)減速率突變后，并沒有表現(xiàn)出X射線輻射特征（脈沖流強(qiáng)和輪廓）的顯著變化，其起因成了未解之謎。
　　通過分析多顆X射線天文衛(wèi)星對PSR B0540-69的觀測數(shù)據(jù)，葛明玉等人發(fā)現(xiàn)，在該脈沖星發(fā)生自轉(zhuǎn)減慢速率轉(zhuǎn)換之后，圍繞在其周圍的脈沖星風(fēng)云的亮度在約400天內(nèi)逐漸增加了32±8%，與該脈沖星自轉(zhuǎn)減速率的突變幅度相當(dāng)（見圖2）。對比分析PSR B0540-69脈沖輻射和星風(fēng)云輻射的特性，研究組認(rèn)為，導(dǎo)致脈沖星自轉(zhuǎn)減慢率突變的主要原因是脈沖星磁極區(qū)域的磁場升高。由于磁極區(qū)域磁場的變化和星風(fēng)的強(qiáng)度直接相關(guān)，但對X射線脈沖輻射區(qū)的影響不大，因此可以合理地解釋所有的觀測現(xiàn)象。
　　該工作首次在觀測上建立了從脈沖星自轉(zhuǎn)加速率突變，星風(fēng)增強(qiáng)到星風(fēng)云變亮的時間和邏輯關(guān)系，也證明星風(fēng)是導(dǎo)致該脈沖星自轉(zhuǎn)變慢的主要原因。星風(fēng)云增亮的時標(biāo)還表明星風(fēng)云中的磁場為約0.8毫高斯，這個直接測量值與之前在能量均分假設(shè)下推算的數(shù)值相當(dāng)。葛明玉為該研究論文的第一作者，盧方軍、葛明玉為論文聯(lián)合通訊作者。參加該研究的還有安徽建筑大學(xué)博士閆林麗，南京師范大學(xué)博士翁山杉，高能所研究員張雙南、博士王靈俊和研究生張偉，美國麻省大學(xué)教授王青德以及河北工程大學(xué)博士李子健。
　　該項(xiàng)目得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃大科學(xué)裝置專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委員會以及中國科學(xué)院-國家自然科學(xué)基金委員會空間科學(xué)聯(lián)合基金的支持。
　　
　　圖1：脈沖星及脈沖星風(fēng)云系統(tǒng)的示意圖，中間的橙色部分代表脈沖星（僅為示意繪制，天體大小不反映實(shí)際比例）。（圖片來源：高能所）
　　
　　圖2：PSR B0540-69及其星風(fēng)云的光度變化。（a）脈沖星和星風(fēng)云總的X光度變化，可以明顯看出脈沖星自轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生突變之后，X射線光度在逐漸增加并達(dá)到飽和；（b）PSR B0540-69脈沖輻射本身的光度一直保持不變；（c）脈沖星和星風(fēng)云總體的輻射能譜指數(shù)沒有明顯變化。圖中豎的虛線表示自轉(zhuǎn)狀態(tài)突變的時間。（圖片來源：高能所/Nature Astronomy）
　　

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