短暫長週期無線電天體的未解之謎

  • Physics Today
  • 撰文者:原文:Jennifer Sieben 譯者:林祉均
  • 發文日期:2024-02-15
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三十年來,一個神祕天體所放出的週期性無線電波持續被觀測到,卻仍未露出真面目

娜塔莎·赫利-沃克(Natasha Hurley-Walker)起初並沒有打算尋找長週期的中子星。在2020年,她獲得了澳大利亞研究委員會頒發的未來獎助金(Future Fellowship),這是一項多年資助計劃,旨在為處於職涯中期的研究人員提供財務彈性,以探索新計畫。對於身在澳大利亞國際無線電天文學中心的赫利-沃克來說,這是一個擺脫既有思想和發表壓力的機會。她決定「把一切都嘗試一遍……看看哪些會奏效。」

赫利-沃克的探索性計畫之一涉及以全新的方式使用一台澳洲無線電望遠鏡——即圖1中所見的莫奇森廣域陣列(Murchison Widefield Array,MWA)所取得的數據。她沒有選擇常用於製作天空深度圖像的數據處理方式,而是鋌而走險創造一種新技術,用於尋找短暫(transient)無線電波源,即隨時間推移出現和消失的天體。她選擇了這條道路,儘管以前的研究在無線電頻率段尚未取得任何成果。

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這些天線組成了澳大利亞莫奇森廣域陣列無線電望遠鏡的256個小方陣之一,該望遠鏡被用於發現超長週期的無線電短暫天體,這些天體像宇宙中的燈塔一樣發出脈衝。由於其地理位置,這個望遠鏡能夠觀測天球的南半球。(PETE WHEELER)

赫利-沃克的大學部學生泰隆·奧多赫蒂(Tyrone O'Doherty)比較了盡可能相似的數據組:相同的天空區域、相對地平線的相同位置以及相同的無線電頻帶。在這兩張圖像之間唯一應該發現的變化是不可控的浮動,比如來自電離層的背景信號。從一次觀測結果中減去另一次,會形成一個差異圖像。所有那些沒變化的信號源都會消失,只留下那些有變化的部分。當赫利-沃克仔細端詳某個天空區域的差異圖像時,她看到了一個強烈的信號,也就是現在被稱為GLEAM-X J1627.1的天體[1]

**探索的自由**
GLEAM-X J1627 展現了脈衝星(一種中子星)行為的新可能性。脈衝星就像是宇宙中的燈塔:這些旋轉的恆星通常以1毫秒到12秒的週期向地球發出無線電波,持續數十年。然而,GLEAM-X J1627的週期長達18分鐘,其運轉速度遠遠慢於典型的脈衝星。GLEAM-X J1627發出的無線電波並未持續很長的時間,這增加了另一種解釋的可信度,即它是另一種稱為磁星(magnetar)的中子星,由強磁場驅動,僅持續數個月。

然而由於觀測數據不足,研究人員仍無法肯定。因此,赫利-沃克設計了一個專門的觀測計畫,以尋找更多長週期的脈衝星。她和博士後研究員蒂姆·加爾文(Tim Galvin)自動化了他們的數據分析程式,以處理他們預期從MWA收集的大量數據。另一位大學部學生查納德·霍爾瓦(Csanad Horvath)則與赫利-沃克一同改善他們的偵測技術。

在2022年8月,僅僅觀測了幾週後,他們發現了GPM J1839-10,這是他們找到的第二個奇怪天體[2]。由於它擁有更長的22分鐘週期和超過其他波段相似脈衝星的無線電波強度,赫利-沃克甚至不確定它是否是一顆中子星。但在她倉促下結論之前,她先蒐集更多的數據。

**紀錄之外**
脈衝星的行為非常一致且持久。如果GPM J1839-10是一顆脈衝星,它應該可以在資料庫的數據中被找到。赫利-沃克聯絡了維吉尼亞州斯威布萊爾學院(Sweet Briar College)的名譽教授史考特·海曼(Scott Hyman),以協助資料搜索的進行。海曼對於無法解釋的長週期短暫現象並不陌生,他在2005年發現了一個週期77分鐘的類似天體[3]。十多年後,仍然沒有理論能夠完全解釋他的發現。

海曼和赫利-沃克開始在MWA和其他無線電望遠鏡資料庫中進行搜索,並使用一台X射線望遠鏡(歐洲太空總署的XMM-Newton)和一台光學望遠鏡進行新的觀測。與GLEAM-X J1627僅在數個月內發射可觀測的無線電波不同的是,GPM J1839-10在觀測數據中現身可以追溯到1988年9月,幾乎是和最初的數位無線電望遠鏡記錄同一時間。由於觀測之間的時間間隔不同,有時只能檢測到單一脈衝,且通常解析度不高。

儘管GPM J1839-10非常明亮,但一直到現在才被發現,這得歸因於天文學家搜索脈衝星的方式。脈衝星被預期具有短週期,因此天文學家通常在毫秒到秒的時間尺度上尋找變化來進行搜索。赫利-沃克設計了一種新的方法,用來搜尋長時間尺度的變化,這樣一來就算天體亮度改變的週期更長也不會被遺漏。要實現這種技術需要仰賴現代圖像處理來分析天空中大塊區域的大量數據、MWA天線的配置來提供比其他無線電望遠鏡更大的空間頻率範圍,以及MWA望遠鏡的穩定性來讓GPM J1839-10能夠在背景噪音中脫穎而出。

**新舊交織**
面對兩顆超長週期的脈衝星以及一些具有其他異常特性的天體(參見圖2),赫利-沃克希望弄清楚這些天體是否真的是中子星。

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GPM J1839-10和GLEAM-X J1627這兩顆星的超長發射週期使它們從典型中子星(長期發射脈衝的星; 綠色圓圈)和磁星(以糾結的磁場為特徵; 紫色星星)的集群中脫穎而出。脈衝星的週期通常在1毫秒到12秒之間,而磁星的週期通常在2秒到10秒之間。除了GPM J1839-10和GLEAM-X J1627之外,只有少數其他天體具有長週期。總體而言,它們可能屬於一種尚未被歸類的天體。(數據來自參考文獻2。)

脈衝星通過快速旋轉和其磁場生成出一對電子和正子,稱為成對產生(pair production)過程來放出明亮的光束。同樣的這個磁場也會放出強烈的無線電波能量。(要了解更多有關中子星物理的知識,請參閱Lars Bildsten和Tod Strohmayer在《Physics Today》1999年2月刊上的文章,第40頁。)然而,基於目前對脈衝星模型的理解,GPM J1839-10的旋轉速度似乎不足以產生電子對。也許我們需要對脈衝星有新的理解,也有可能該星不是脈衝星,即便它在三十多年內保持規律的週期。

磁星類似於脈衝星——它們是強大的能量源,並具有規律的週期,但它們的能量是來自它們持續重新排列的糾結磁場。儘管磁星以X射線波長發射能量,但XMM-Newton望遠鏡並未從GPM J1839-10中檢測到任何此類發射。缺乏X射線發射,以及磁星在幾個月後停止發射的事實,使赫利-沃克認為GPM J1839-10也不是磁星。

自從這篇論文發表以來,赫利-沃克已經與其他天文學家交流,並提出了新的理論。其中一種理論認為該恆星是一顆白矮星。巧合的是,華威大學(University of Warwick)的英格里德·佩里索利(Ingrid Pelisoli)在赫利-沃克關於GPM J1839-10的論文發表後不久,發表了她發現的一個在無線電波段相當明亮的脈衝白矮星雙星系統。他們是在同一個研討會上報告成果時才得知彼此的工作。慢速旋轉和無線電發射是雙白矮星系統的有力證據,但白矮星的脈衝能量有一部分是由其伴星的吸積物質所提供的。

缺乏另一顆恆星提供佐證,目前的理論無法解釋如此慢的旋轉速度如何能夠產生足夠的電子以發射無線電光束。針對GLEAM-X J1627的後續光學觀測顯示它是孤立的單一星體系統,而GPM J1839-10在如此長時間內具有如此一致性的脈衝,因此不可能是雙星系統的一部分,除非它處於完美的正面位置,以至於偵測不到任何都卜勒位移。

**搜索持續**
由於目前沒有理論能夠解釋新的超長週期短暫現象的所有已知特性[5],赫利-沃克正在尋找更多關於她的團隊所發現的神秘物體可能是什麼的線索。她已經申請使用哈伯太空望遠鏡的觀測時間,並計劃申請使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測時間以獲得有關GPM J1839-10的數據。無論是光學(哈伯)還是紅外(韋伯)光度測量都可以讓赫利-沃克根據光譜強度來確定恆星的類型。不幸的是,在銀河平面附近進行觀測非常困難。要在這麼擁擠的天空區域中完全分辨出如此微小的光源,太空望遠鏡是唯一具有足夠解析度的儀器。

在等待太空望遠鏡的觀測時間時,赫利-沃克繼續使用MWA尋找更多類似的物體。她的兩個長週期脈衝星的發現之間僅相隔六個月。相比之下,對另一種不尋常的無線電源,即快速無線電爆發,進行的首兩次觀測相隔四年。「根據估算,這意味著它們並不是非常罕見。」她計劃在較高的銀河緯度進行搜索,以使觀測區域不那麼擁擠,並且讓更多的望遠鏡將能夠進行後續觀測。

REFERENCES
1. N. Hurley-Walker et al, Nature 601, 526 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04272-x
2. N. Hurley-Walker et al, Nature 619, 487 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06202-5
3. S. Hyman et al, Nature 434, 50 (2005). https://doi.org/10.1038/nature034004.
I. Pelisoli et al, Nat. Astron. 7, 931 (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-01995-x
5. N. Rea et al, https://arxiv.org/abs/2307.10351.
6. L. Bildsten, T. Strohmayer, Physics Today 52(2), 40 (1999). https://doi.org/10.1063/1.882523

本文感謝Physics Today(American Institute of Physics)同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Aug. 2023 雜誌內(Physics Today 76, 10, 15-17(2023);https://doi.org/10.1063/PT.3.5321)。原文作者:Jennifer Sieben。中文編譯:林祉均,國立清華大學物理所研究生。

Physics Bimonthly(The Physics Society of Taiwan)appreciates Physics Today(American Institute of Physics)authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Jennifer Sieben and was published in(Physics Today 76, 10, 15-17(2023);https://doi.org/10.1063/PT.3.5321).The article in Mandarin is translated and edited by J.R Lin(National Tsing Hua University)