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嗝很大的波霎

2012/08/17 | | 標籤:

宇宙中有一種高級的燈塔,叫做脈衝星(波霎)。它是質地緊密的中子星,以旋轉軸為中心每秒多次快速旋轉,朝太空幅射出電波和伽馬射線。最近,馬克斯-普朗克太空物理學研究所巧妙運用數據分析法,從費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope,以下簡稱”Fermi” 望遠鏡)的資料庫中撈出一個非常特殊的伽瑪射線脈衝星。這顆名叫J1838 – 0537的脈衝星很年輕,在電波頻段無訊號,它在受觀測期間曾發出一次很強的頻率突變(glitch),這是有史以來在「只幅射出伽瑪射線」這類罕見的脈衝星當中所觀測到的最強的一次頻率突變。

只幅射出伽瑪射線的「純」伽瑪射線脈衝星,由於在天空中的位置、自旋週期的長短、本身隨時間經過所發生的變化等各種未知情況和因素使然,讓想辨識它的天文研究人員經歷到困難重重,只能由Fermi望遠鏡的巡天觀測的原始資料來判斷脈衝星在天空中的大約位置,像在一片漆黑的汪洋大海中檢查前述特性各種組態,花掉很驚人而大量的計算時間。然而在此之前,要想推估出伽瑪射線光子是在何時抵達探測器的隱性規律,這卻是唯一的途徑。

遇上這種費時的計算需求,就連高效能的電腦也很快就山窮水盡,因此,研究員念頭一轉,動用到當初設計用來處理「重力波」資料分析的演算法,藉以協助實現Fermi資料搜尋。新的演算法經過優化(optimize)處理,有了它的協助,很多先前掉失的訊號因此就又被找了回來。2011年11月,「愛因斯坦研究所」團隊(Albert Einstein Institute,簡稱AEI)就一口氣公佈了達9個之多的伽瑪射線脈衝星,全都是因為使用經過優化的演算法才找到的「漏網之魚」。現在這種方法再次幫助該團隊取得重大發現。

新發現的脈衝星位置在靠近盾牌座方向,按天球座標命名,名叫J1838-0537。年齡5千歲,是很年輕的脈衝星。每秒約自旋7次。研究人員在發現它之後,很驚訝的又發現,這顆脈衝星是在2009年以前才看得到的,2009年之後它就突然消失了。

經過很複雜的對比分析後,研究團隊得知,原來J1838-0537這顆脈衝星並未真的消失,只不過,在經過「頻率突變」(glitch)後,它的轉速比先前快了3,800萬分之一秒,這是個微小到幾乎可以忽略的變化,但是以伽瑪射線脈衝星而言,這卻已經是他們曾經量測到的最大一次頻率突變。並且這個突變還有一些後續的影響。

研究人員表示,「如果忽略不計這個突然冒出來的頻率突變,8小時後,我們的計算將完全丟失脈衝星的自旋,Fermi上所裝載的探測器將無法確知伽瑪射線光子抵達的自旋相位為何,中子星的所謂「閃爍」效應也將因而消失。」不過,要是研究人員的計算裡,將頻率突變考慮進去,並且修正自旋的變化值,這顆脈衝星就能再次從觀測數據中現出蹤影了。

頻率突變從許多年輕脈衝星身上都可觀測得到,但確切原因不明。天文學家認為發生在中子星地殼上的「星震」,或發生在恆星內部超流體與地殼間的相互作用可能可以為這個現象提供一個好的解釋。研究人員表示,這次偵測到的這個強大的脈衝星glitch(頻率突變),將有助於他們更了解這些極緻密天體的內部結構。

在從Fermi的數據資料中取得上述發現後,研究人員隨後又將一座位於美國維吉尼亞州的綠堤電波望遠鏡指向了這個伽瑪射線脈衝星所在的位置。在近2小時觀察,並進一步分析了早先一次一個小時的觀測結果之後,發現在電波頻段內並未顯示任何有規律性的脈動輻射,因此他們確認,J1838 – 0537是一顆罕見的「純」伽瑪射線脈衝星。

雖然在電波波段無訊號顯示,觀測結果卻與主要觀測一些從太空深處幅射出極高能量伽瑪射線的H.E.S.S. 的觀測結果明顯重疊。(H.E.S.S. 是High Energy Stereoscopic System:高能立體系統的簡寫),在與H.E.S.S.天文學家攜手合作的一次搜查中,曾在新發現的脈衝星附近,偵測到輻射源的延伸,但仍未能澄清其性質。

這顆脈衝星的發現表示H.E.S.S.所偵測到的伽瑪射線源為一「脈衝星風星雲」。星雲是由以近光速的速度運動的粒子所產生的,它在脈衝星極強的磁場中獲得加速。由於目前脈衝星的確切位置已知,所以H.E.S.S.未來可以考慮在這個星區裡進行一些更精確的測量。

目前為止,愛因斯坦研究所的ATLAS集叢已協助發現了10顆前所未知的伽瑪射線脈衝星,目前研究團隊還動員了更多計算力加入他們的行列。自2011年8月以來,Einstein @ Home計劃已為伽瑪射線巡天搜索計畫貢獻了很大的分散式計算力,甚至比ATLAS集叢的計算能力還高10倍,該研究所的研究員Bruce Allen認為未來在Fermi資料中「找到更不尋常的伽瑪射線脈衝星」的機會為「非常樂觀」。目前他們已將搜索目標擴大,其中之一是,能發現旋轉得更快速、週期在毫秒範圍內的伽瑪射線脈衝星。(Lauren譯)


關於本篇文章中出現的幾個名詞

脈衝星(Pulsar): 是一種因超新星爆發而產生的緊密中子星,強磁場使它們幅射出電波和伽瑪射線,持續快速地自旋。有宇宙中的燈塔之稱。如果掃射出的輻射方向是朝向地球,這顆中子星看起來就會像一顆脈衝星。並非所有脈衝星都會有訊號同時出現在一種以上的波段中。有時偵測到的是電波脈衝星,因為只有電波訊號。有時後只週期性地偵測到伽瑪射線光子,那它就是伽瑪射線脈衝星。為什麼脈衝星有不同種類?最有可能的原因就是,中子星極強磁場所形成的發射區是朝向不同的方向。

令脈衝星更蒙神秘者還不僅止於此而已,在脈衝星年輕時期,它的旋轉持續卻不規律,譬如突如其來的「頻率突變」會對它的規律性造成干擾。只有5%的脈衝星具有這種頻率突變的現象。當頻率突變發生時,中子星旋轉會突然變快,隨之緩慢減速、於數週後回歸到舊的自旋週期。造成這種現象的原因還不清楚,不過精確的測量到這些頻率突變,必能幫助我們更多認識這種緻密的天體。

目前為止,天文學家大多是在電波波段中發現到脈衝星,如今因為Fermi望遠鏡的緣故,發現到的伽瑪射線脈衝星數量也越來越多。Fermi衛星從2008年開始在伽瑪射線波段透過大面積伽瑪射線望遠鏡(LAT: Large Area Telescope)觀測宇宙,發現了數以百計的新伽瑪射線發射源,其中許多都是前所未知的新脈衝星。


資料分析Data analysis:

對重力波探測器所取得的資料從事分析時,科學家必須倚賴非常有效率的演算法和高階運算能力,為什麼重力波的資料分析工作這麼特別?因為如果以目前的測量精確度來說的話,重力波訊號的強度幾乎和背景雜訊差不多,很微弱。

在LIGO-Virgo科學合作計畫(簡稱LVC)中,德英兩國合作的GEO600偵測儀也是合作項目的一部份,所有偵測所得的資料都會共同存檔,以供後續分析使用。單是一份資料檔案的大小就有500TB,總共有好幾份是儲存在多個不同的電腦集叢。偵測器網路一開始運轉時,每1秒鐘都會多產生出1MB的資料。

資料分析有好幾步驟,首先是在大面積的天空中巡天掃瞄、取得訊號,當某一方向出現特殊訊號時,再透過特殊運算法進一步以較窄而密的搜尋網格仔細探索該區,這意味著要花更多的運算時間。如果訊號得到證實,科學家們就會繼續分析時間特徵,例如,檢查它是否可以被分配到一個特定的脈衝星的週期。AEI研究所的科學家已修改演算法使它可用來搜尋一些重力波的持續來源,並且還成功地用它來尋找存在於Fermi數據中的伽瑪射線脈衝星。


Einstein@Home:這個計畫號召全球網民自願地將家用或辦公室電腦加入雲端計算,用雲端的威力來處理分析大量天文觀測數據。目前已經有32萬人參與。自2005年以來, Einstein @ Home一直在幫忙LVC科學合作計劃尋找重力波資料。

從2009年3月開始,Einstein@Home開始參與幫忙波多黎各的阿雷西博天文台和澳大利亞的Parkes天文台在觀測資料中尋找電波脈衝星,第一顆由Einstein@Home計劃找到的電波脈衝星於2010年8月找到,之後這個全球電腦網路系統又找到了40個新的電波脈衝星,2011年8月起協助Fermi衛星搜尋伽瑪射線脈衝星,「毫秒脈衝星」這種只在伽瑪射線波段能找得到的脈衝星也名列在它的搜尋目標之中。


圖1: 伽瑪射線脈衝星是一種結構緊密的中子星,在其極強的磁場中,帶電粒子被加速到相對論性速度(註:「相對論性速度」指的是運動速度與光速相近)。圖中可看得出在此過程中產生的伽瑪射線輻射區域(紫色),遠超過了中子星表面以外很遠的地方。從磁極發射出來的電波(綠色)呈錐形。又因為自旋環掃所經過的區域正好與地球視線方向一致,所以對一名地球上的觀測者來說,看來,脈衝星就像是定期在天空中閃爍著光芒的一座宇宙燈塔。

動畫來源http://www.nasa.gov/mov/600703main_07_Pablo_Pulsar_Animation.mov, Credits: NASA/Fermi/Cruz de Wilde


資料來源:中研院天文網[2012.08.09]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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