球状星团: 孕育奇特脉冲星之宝地

想要在广袤宇宙中寻找奇特脉冲星，球状星团是块宝地。

脉冲星是宇宙中可探测到周期性脉冲发射的最致密天体(中子星)。它们不仅有丰富的辐射现象，是研究极端条件下物质和物理规律的天然实验室，还是研究星际介质、引力波及其产生过程的探针。脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。在不到20年的时间里，脉冲星领域接连两次获得“诺贝尔物理学奖”(1974年授予首颗脉冲星的发现, 确认了中子星的存在; 1993年授予首个双中子星系统的发现，提供了引力波存在的证据)。自1967年发现脉冲星以来，目前已经观测到3000多颗脉冲星，其类别也逐渐丰富多样，开启了我们无数新认识。

 图1. 孤立脉冲星及其丰富多样的脉冲轮廓

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图2. 双脉冲星系统

球状星团是宇宙中已知最古老的星团，可以拥有数以百万计的密集恒星被引力束缚汇聚而成，从外围至中心其恒星密度快速增大，因外形呈球状而得名。大部分的球状星团存在于银晕，因其年龄老、恒星密度高、碰撞频繁，球状星团是射电脉冲星，尤其是毫秒脉冲星双星系统存在的富矿区，也是国际上各大型射电望远镜热衷搜寻的重要区域。

1987年，英国Jodrell Bank 射电天文台的Lynes使用Lovell望远镜首次在球状星团(M28)中发现了自转周期为3毫秒的脉冲星M28A。至今，已在38个球状星团中发现了280多颗脉冲星（约占已知脉冲星总数的7%），超过90%是毫秒脉冲星，近65%处于双星系统中，毫秒脉冲星和双星系统的比例均远高于银盘中的脉冲星。

图3. 38个球状星团中发现的282颗脉冲星分布直方图 (图源: http://www.naic.edu/~pfreire/GCpsr.html)。

球状星团Terzan 5和47 Tucanae分别是北天和南天目前所发现脉冲星数目最多的球状星团。这两个球状星团都具非常高的中心恒星密度和星体作用率，天文学家预测了它们可以孕育大量的脉冲星，这也得到了观测的证实。对这些毫秒脉冲星和X射线双星的观测研究为我们提供了关于恒星、双星以及球状星团动力学演化的新信息。

图4. Terzan5中已知脉冲星的位置(左) (图源: https://greenbankobservatory.org/terzan-5-pulsar-jackpot/)；47Tucanae中已知脉冲星的位置(右) (图源: http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/staff/pfreire/47Tuc/)。

球状星团中不仅存在较多的毫秒脉冲星和双星系统，也不乏奇特性质的脉冲星，“红背蜘蛛”脉冲星便是颇具代表性的一类。“红背蜘蛛”脉冲星常伴有掩蚀现象，主中子星正在通过引力吸积生啖其伴星，就像红背雌性蜘蛛毫不犹豫吃掉她的伴侣一样。她们通常所处的轨道周期不超过2天，其伴星质量大于等于0.1太阳质量。在球状星团“红背蜘蛛”脉冲星中，Terzan 5ad的自转周期仅有1.396毫秒，相当于能在1秒中内自转716圈，为目前所发现的脉冲星中自转周期最短的脉冲星，对中子星物态给出了很强的限制。相变毫秒脉冲星(transitional MSP, 缩写tMSP)是特殊的“红背蜘蛛”脉冲星，她们在自转供能态与吸积供能态之间发生转变，现在确认的相变毫秒脉冲星只有3颗，其中2颗是在银道面，1颗在球状星团。M28I是球状星团中目前唯一的已确认的相变毫秒脉冲星。

图5. “红背蜘蛛”脉冲星NGC 6379B艺术想象示意图。

球状星团中恒星相互作用能使质量相对较轻的星体向边缘移动，较重的星体向中间聚集。当中心密度足够高时, 其核区会发生坍缩。球状星团NGC 6397是距离我们最近的核坍缩球状星团。按照理论，经历过坍缩的星团核区应该富含脉冲双星，令人疑惑的是核坍缩球状星团中目前所发现的脉冲星单星远比双星多。近期在球状星团中发现的最长轨道周期“红背蜘蛛”脉冲星NGC 6397B是暗弱掩蚀双星系统的代表，揭示了核坍缩球状星团中应该富含尚未被探测的射电脉冲星双星系统，为深入理解球状星团演化打下了基础。脉冲星NGC 6397B也是一颗很好的相变毫秒脉冲星候选体，有望推进我们对低质量X射线双星与自转供能脉冲星之间转换驱动力之谜的探索。

脉冲星的观测研究是一个以新发现驱动的、具有巨大产出潜力的天文学前沿。针对球状星团的高灵敏度搜寻是发现更多毫秒脉冲星和奇异脉冲星的最佳途径，可以有效扩大这些高价值致密星的样本。依托中国自主建造的大科学装置500米口径球面射电望远镜(FAST)，我国科研人员已经在球状星团中发现了超过30颗新脉冲星。愿每位致力于球状星团寻星“矿工”们都能收获更多新奇脉冲星，给人类不断带来新认知。

作者简介

张蕾，中国科学院大学天体物理专业博士。曾获得SKA PhD奖学金资助，博士期间在中国科学院国家天文台和澳大利亚联邦科学与工业研究组织分别使用FAST和Parkes射电望远镜专注于脉冲星领域的研究工作。2021年3月获得中澳天文联合研究中心首届博士后（ACAMAR Fellow）资助，力争在脉冲星类极端致密天体研究领域取得新突破，进一步推进中澳双方在天文领域的互补合作。

轮值主编：李菂

责编：袁凤芳

监制：陆烨、田斌

《中国国家天文》2023年3月刊

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国际刊号：ISSN 1673-6672

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