FAST新发现一大批暗弱脉冲星

近期，国家天文台韩金林研究员领导的研究团队利用中国天眼FAST望远镜开展银道面脉冲星巡天，取得了重要进展，近日正式发布新发现201颗新脉冲星！

这些新发现中包括一批最暗弱的脉冲星、挑战当代银河系电子分布模型的大色散量脉冲星、40颗毫秒脉冲星、16颗脉冲双星、一批模式变化和消零脉冲星以及射电暂现源等。这些丰富的科学发现，近日作为封面文章在国内天文学唯一全英文国际期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》上正式发表公布。

图1. 学术期刊《Research in Astronomy and Astrophysics》2021, Vol. 21第5期封面（图源：RAA）

脉冲星是大质量恒星死亡后的残骸，是宇宙中密度最高、磁场最强、自转最快、相对论效应显著的一类迷人而又奇异的天体，是研究宇宙极端环境中物理规律的理想实验室。长期以来对脉冲星的研究是天文和物理的前沿领域，涉及引力波探测、精确验证广义相对论、限制极端物理条件下的物态方程、高精度时空基准建立等重要基本问题。

脉冲星的发现和研究，是国际上大射电望远镜关键科学目标之一，是在科学前沿“逐鹿中原”的必争之地。早年的脉冲星发现，以及脉冲星双星监测对引力波辐射做出的首次物理验证，因其意义重大，还曾斩获过两项诺贝尔物理学奖。自1968年脉冲星发现到现在50余年，已经发现约3000颗脉冲星，其中约400多颗毫秒脉冲星。

FAST是目前世界上灵敏度最高的射电望远镜，配备的19波束L波段接收机，成为世界上最强大的脉冲星搜寻利器。国家天文台韩金林领导的研究团队提出用FAST进行脉冲星快照巡天（the Galactic Plane Pulsar Snapshot survey，GPPS）。他们对银道面区域轮流进行5分钟积分，首次使得银河系大面积脉冲星系统性搜寻进入μJy量级的灵敏区域。

2019年，项目团队完成了观测模式和数据处理试验之后，2019年底GPPS项目被FAST科学委员会选定为重大优先观测项目之一。2020年初，GPPS巡天项目正式开启观测。

截止到2021年3月，GPPS共计观测了约126平方度的银道面区域，占巡天项目总体规划的不到百分之五，但是已经取得了丰硕的科学成果。目前已发现新脉冲星201颗。相比之前最灵敏的美国Arecibo望远镜 PALFA巡天，GPPS巡天灵敏度总体而言要高约一个数量级。新发现的一批最暗弱脉冲星流量仅为5μJy左右 （见图2）。

图2. FAST-GPPS巡天灵敏度与其他巡天项目的对比。左图：FAST-GPPS脉冲星搜寻灵敏度曲线及巡天探测的脉冲星，红色为GPPS新发现的脉冲星，蓝色和黑色分别为之前Arecibo及Parkes等望远镜发现又被FAST探测到的脉冲星。右图：GPPS、Arecibo和其它如Parkes等望远镜发现的脉冲星光度函数分布比较，可见GPPS新发现的201颗脉冲星相比较Arecibo和Parkes等更为暗弱。本图被用作RAA最新一期封面（图源：作者）

在新发现的脉冲星中，一部分特殊脉冲星的色散量远远超过目前最好银河系电子分布模型（NE2001和YMW16）的预计。如果利用模型估算脉冲星距离，这些脉冲星应该坐落在银河之外。考虑到银河系在这些方向有银河系的旋臂，它们含有大量电子气体云团（图3），很可能是银河系模型中这些云团的数目或云团里的电子密度被严重低估了。因此新发现的脉冲星对当代通用的银河系电子分布模型提出挑战。

图3. 新发现脉冲星的DM均超出银河系电子密度模型NE2001在该方向的最大值，6颗脉冲星超出银河系电子密度模型YMW16给出的最大值（图源：作者）

GPPS巡天早期结果还发现了40颗毫秒脉冲星，其中至少有14颗位于密近双星系统中。毫无疑问，后续对这些毫秒脉冲星的测时观测，可以用来探测来自遥远星系的低频引力波，还可用于建立脉冲星时间和空间基准，其中一些脉冲星将会成为检验引力理论的绝佳利器，因此这些发现是对该领域的一个显著的贡献。

图4. 新发现的密近脉冲双星系统。十分钟左右的观测就看到了脉冲相位因为双星轨道效应引起的明显飘移（图源：作者）

除此之外，GPPS巡天还发现了大约12颗模式变换或消零脉冲星、1颗旋转射电暂现源（RRAT）以及与超新星遗迹成协的脉冲星。这些特殊的脉冲星对研究脉冲星辐射物理有着重要的意义。GPPS巡天团队还记录和分析了偏振数据，发表了8颗脉冲星的偏振参数和法拉第旋率。巡天工作的高清灵敏数据改进了64颗已知脉冲星的物理参数。

澳大利亚CSIRO天文和空间科学研究员、澳大利亚科学院院士R N Manchester教授和美国Cornell大学J M Cordes教授是RAA论文的特约审稿人。Manchester教授特邀在RAA的News and Views专栏发表了评论：

到目前为止，GPPS仅搜寻了FAST可观测天区一小部分，就已发现了201颗以前未知的脉冲星。作为一个巡天项目早期阶段, 这数目令人印象非常深刻...发现40个毫秒脉冲星，是一个了不起的成就...

 

论文揭示了FAST在脉冲星天文学特别是脉冲星搜寻方面的大好前景。祝贺作者迅速而全面地将巡天方法和结果发表在评审期刊上。让人懊恼的是这样的论文竟然在该领域相当少见。

Cordes教授评论说：“该巡天可能主导未来脉冲星发现，最终完成完整的银河系脉冲星普查....可能迟早会发现脉冲星-黑洞双星...对银河系星际介质的研究大有裨益...韩等人论文的读者会对FAST研究致密天体和基本物理的大好前景感到兴奋。”

目前，GPPS项目团队继续努力搜寻整个FAST可见银道面区域。

编后语

有趣的是，该项目的论文在4月20日被接受等待正式发表的过程中，该团队又发现了一批脉冲星，使得他们的脉冲星发现的总数达到了212颗。