——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
——中國科學(xué)院辦院方針
近日，中國科學(xué)院上海天文臺聯(lián)合貴州大學(xué)、國家天文臺、云南天文臺等機構(gòu)的科研人員利用500米口徑球面射電望遠鏡FAST的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，在球狀星團脈沖星的搜尋、高精度計時、輻射特性等方面研究取得一系列新進展。該系列研究已形成四篇論文，分別發(fā)表于天文學(xué)學(xué)術(shù)期刊《天體物理學(xué)雜志》（the Astrophysical Journal）與《天文與天體物理研究》（Research in Astronomy and Astrophysics）。
球狀星團是由大量恒星在引力束縛下形成的高密度天體系統(tǒng)，其中心密度可達太陽周圍恒星密度的數(shù)萬倍。球狀星團中密集的天體分布和星體間頻繁的相互作用，為脈沖星的形成和演化提供了便利條件，因此我們稱球狀星團為毫秒脈沖星的“生產(chǎn)工廠”。通過對球狀星團中的毫秒脈沖星進行長期監(jiān)測，可以研究脈沖星自身的輻射特性、測量其雙星軌道參數(shù)甚至脈沖星質(zhì)量、研究雙星演化規(guī)律。此外還可以將脈沖星作為探針，研究星團本身的物理性質(zhì)，包括引力勢、磁場以及星際介質(zhì)的分布等。
球狀星團M2中的脈沖星搜尋與高精度計時
研究團隊利用FAST對M2長達五年的觀測時間進行了深入的脈沖星搜尋和計時檢測研究。這項研究在該星團中發(fā)現(xiàn)了兩顆新的毫秒脈沖星，即M2F與M2G，并首次獲得了在該星團方向和距離上的法拉第自旋量測量。
研究團隊首次建立了M2星團中脈沖星的“相干相位”（phase-coherent）計時模型，并通過貝葉斯計時分析，以高精度測量出了M2中脈沖星雙星系統(tǒng)的開普勒軌道參數(shù)。在M2A與M2E脈沖星雙星系統(tǒng)中，測量出了廣義相對論框架下的軌道近日點進動，并由此計算出了雙星系統(tǒng)的總質(zhì)量，分別為1.75與1.80個太陽質(zhì)量。通過哈勃望遠鏡數(shù)據(jù)庫，研究團隊搜尋到了M2C脈沖星伴星的光學(xué)對應(yīng)體，并確認(rèn)其為一顆白矮星。通過結(jié)合光學(xué)與射電觀測結(jié)果，重構(gòu)出了該系統(tǒng)的雙星演化路徑，并以此定出了伴星的冷卻年齡（cooling age），約為1千萬年。這使得M2C的白矮星伴星成為已知的球狀星團脈沖星雙星系統(tǒng)中最年輕的白矮星。
此外，利用M2脈沖星所測量的自轉(zhuǎn)周期導(dǎo)數(shù)，研究團隊對該星團中的引力勢分布進行了限定，結(jié)果有力地支持了該星團星體速度彌散（central stellar velocity dispersion）的最新測量成果。
圖1 M2C脈沖星白矮星伴星的顏色—亮度圖。左為F275W與F336W濾波頻段所得結(jié)果，右為F275W與F438濾波頻段相應(yīng)結(jié)果。圖中紅色加號為測量值，誤差棒標(biāo)準(zhǔn)為1σ。彩色曲線為不同質(zhì)量下氦白矮星的演化曲線。其中不同的符號對應(yīng)著不同的冷卻年齡。
使用快速折疊算法(FFA)搜尋脈沖星
研究團隊利用FAST觀測數(shù)據(jù)，采用快速折疊算法（FFA）對30個球狀星團（含16個已知脈沖星星團和14個未探測星團）開展系統(tǒng)性搜尋，在93顆已知脈沖星中，成功探測到87顆，未探測到的5顆已知脈沖星包括一顆暗弱孤立脈沖星和4顆表現(xiàn)出明顯軌道運動的雙星系統(tǒng)。
研究團隊在M13星團中發(fā)現(xiàn)一顆新毫秒脈沖雙星M13I（PSR J1641+3627I），該脈沖星系統(tǒng)軌道周期18.2天、0.06偏心率，伴星質(zhì)量0.54M⊙，符合氦白矮星模型。基于M13I搜尋的對比研究表明，FFA算法探測率（17.9%）較傳統(tǒng)FFT方法（10.3%）提升75%；針對更暗弱的信號，F(xiàn)FA算法表現(xiàn)出更高的信噪比（SNR，如圖2）。表明FFA算法在未來球狀星團暗
弱脈沖星搜尋具有極大潛力。
圖2，M13I的FFA與FFT探測信噪比對比圖。
在球狀星團M13中發(fā)現(xiàn)兩顆閃爍增強脈沖星
研究團隊利用改進的FFT+jerk算法對2018年至2025年FAST球狀星團84次計時觀測數(shù)據(jù)進行搜尋，在球狀星團M13中發(fā)現(xiàn)兩顆暗弱脈沖雙星M13G和M13H（PSR J1641+3627G/H）。這兩顆星均在被星際閃爍點亮階段探測到，相較于M13中其他脈沖星表現(xiàn)出比較低的探測率。
研究團隊成功得到了M13G的“相干相位”計時模型，確認(rèn)了該系統(tǒng)為典型黑寡婦系統(tǒng)（自轉(zhuǎn)周期4.32ms，軌道周期0.12天，伴星質(zhì)量<0.01太陽質(zhì)量，見圖3），該系統(tǒng)是M13中距離星團中心投影角距離最大的脈沖星，距離星團中心1.8角分，且該系統(tǒng)處于圓形軌道中，這一觀測事實，為“脈沖星軌道偏心率會隨著與星團中心距離的增加而減小”的動力學(xué)理論提供了有力的觀測支持。
M13H自轉(zhuǎn)周期11.21ms，由于信號暗弱，僅在84次觀測中探測到兩次，目前無法獲得其“相干相位”計時模型。
圖3，M13G的平均脈沖輪廓（左）和計時殘差結(jié)果（右）。
球狀星團脈沖星偏振輪廓研究
研究團隊利用FAST對分布于8個球狀星團中的25顆毫秒脈沖星進行了偏振輪廓測量。結(jié)果顯示球狀星團星團脈沖星的‘脈沖寬度-自轉(zhuǎn)周期’關(guān)系與場脈沖星一致，但僅20%球狀星團脈沖星具有S型偏振位置角曲線，這一比例顯著低于普通脈沖星。
法拉第旋轉(zhuǎn)量分布（RM distribution）證實靠近銀盤面的球狀星團，脈沖星的旋轉(zhuǎn)量RM值更高，這一分布特征與銀河系磁場分布模型的預(yù)測相符。25顆球狀星團脈沖星整體偏振度分布與銀河系脈沖星相似（圖4），表明球狀星團環(huán)境未顯著改變其中脈沖星的偏振輻射性質(zhì)。
圖4，25顆球狀星團脈沖星的偏振度分布與銀盤脈沖星對比圖，銀盤脈沖星數(shù)據(jù)引自Wanget al. (2023)。
論文鏈接：
【1】Millisecond Pulsars in M2: New Discoveries and a Detailed Timing Analysis - IOPscience
【4】Polarization Profiles of Globular Cluster Pulsars from FAST. I. 25 Profiles from Previously Known Pulsars - IOPscience
科學(xué)聯(lián)系人：
劉闊，中國科學(xué)院上海天文臺，liukuo@shao.ac.cn
王琳，中國科學(xué)院上海天文臺，wanglin@shao.ac.cn
