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費米太空望遠鏡發現最年輕的毫秒波霎

2011/11/10 | | 標籤:

一組跨國的研究小組,利用美國航太總署(NASA)的費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)發現一顆威力超強的毫秒波霎(millisecond pulsar,或稱毫秒脈衝星),而且這項發現還讓現行對此類天體形成的理論構成威脅。在此同時,另一組研究人員則利用新發展的分析技術,從費米觀測資料定出9個新的伽瑪射線波霎(gamma-ray pulsar),這項發現同時讓費米所發現的波霎總數超過100顆了!

右上圖是9顆新波霎的位置,由於表面磁場強度極強,這些波霎又被稱為磁星(magenta);而新發現的最年輕毫秒波霎則以綠色顯示。Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

波霎是自轉快速、磁場極強且以固定週期發出電磁波輻射的中子星,基本上是質量高達地球的50幾萬倍、但體積卻只有一座普通城市大小而已的天體,如此稠密的性質,使得在中子星表面,一茶匙的糖會像一座聖母峰那樣重;而由於中子星表面的磁場強度非常強,伴隨其快速的自轉,促使其兩極持續發出從波長最長的無線電波到波長最短的伽瑪射線等的電磁波光束,隨中子星自轉而轉動,從地球上觀察就變成規律的脈衝訊號,像是燈塔一樣。天文學家認為中子星是到目前為止,性質最接近黑洞但可直接觀測的天體。

在2008年費米升空前,僅知7顆會發出伽瑪射線的波霎;而經由費米觀測,目前已知的伽瑪射線波霎已超過100顆,成果斐然。其中有一群波霎的自轉速度快到不可思議,每分鐘可自轉43,000轉左右,換言之,自轉一圈僅需數毫秒而已(millisecond,1毫秒=1/1000秒)。目前天文學家認為毫秒波霎的自轉速度之所以會這麼快,是因為它與另一顆一般恆星組成雙星系統所致,一般恆星是指還處在主序階段的恆星,當一般恆星的氣體物質不斷從一般恆星流向波霎的過程中,不斷撞擊波霎,因而讓波霎的自轉速度愈來愈快。

典型的毫秒波霎年齡大約為10億年左右,但費米太空望遠鏡最新發現的毫秒波霎PSR J1823−3021A,年齡卻只有2500萬年而已,是迄今已知最年輕的毫秒波霎。PSR J1823−3021A位在NGC 6624球狀星團中,這個星團已經100億歲了,位在人馬座方向,距離地球約27,000光年遠。天文學家之前曾在電波輻射波段進行觀測,當時就已鑑定出PSR J1823−3021A是顆波霎。不過,新發現的9顆新伽瑪射線波霎,都不是毫秒波霎,而且只有其中一顆有發出電波輻射。

費米大面積望遠鏡(Large Area Telescope,LAT)觀測之J1823-3021A波霎所發出的伽瑪射線「開」和「關」的脈衝狀態,這個波霎的脈衝頻率約為每秒183.8次,相當於自轉一週約為5.44毫秒。Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

左圖顯示費米大面積望遠鏡(Large Area Telescope,LAT)觀測之J1823-3021A波霎所發出的伽瑪射線「開」和「關」的脈衝狀態,這個波霎的脈衝頻率約為每秒183.8次,相當於自轉一週約為5.44毫秒。Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

球狀星團基本上是由比較年老的恆星所組成的恆星集團,成員數從數萬到數十萬不等,整個星團的外觀幾乎成圓球形。從費米大面積望遠鏡(Large Area Telescope,LAT)觀測資料,天文學家發現共有11個球狀星團發出伽瑪射線輻射,這是數十顆毫秒波霎所發出的伽瑪射線累積的結果,但因每顆單獨毫秒波霎的伽瑪射線太微弱,費米無法分辨出單獨的毫秒波霎。

但是,NGC 6624中的毫秒波霎卻很特別,費米發現它的伽瑪射線只來自一個單獨的毫秒波霎。德國普朗克電波天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)Paulo Freire等人對此結果相當驚訝,因為這表示這顆波霎應該才剛形成不久,所以才能發出這麼強的輻射。在年紀非常老的球狀星團中發現如此年輕的毫秒波霎,與天文學家認為的毫秒波霎成因有所衝突,因此關於毫秒波霎的理論勢必得重新修正。

雖然費米LAT望遠鏡靈敏度很高,但這些昏暗的波霎每100,000轉中,只能偵測到一次伽瑪射線輻射。因此必須藉助改編自偵測重力波(gravitational wave)的Einstein@Home新分析技術來測定波霎的精確位置,以及光子抵達LAT的時間點。Einstein@Home是利用全球各地自願者的電腦閒置時間,協助分析觀測資料的龐大網絡,如此一來便可節省所需的分析時間。Freire等人從2011年7月開始將Einstein@Home計畫擴展到費米LAT伽瑪射線波霎的資料分析上,才讓這些發現進展的如此快速。

資料來源:NASA’s Fermi Finds Youngest Millisecond Pulsar, 100 Pulsars To-Date [2011.11.03]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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