上海天文台在磁星观测研究领域取得进展

近日，中国科学院上海天文台天马望远镜团队发挥天马望远镜“一镜双频”的观测优势，通过分析天马望远镜在2019年1月开始对磁星XTE J1810-197开展的跨度900余天的2.25/8.60 GHz双频同时观测数据，发现该星在本次爆发以来的中间脉冲辐射（通常认为是来自另一个磁极的辐射）；精确刻画出其平均脉冲轮廓随时间和频率的变化情况并进行系统分类；明确指出其在2020年6月15日从正常辐射状态变为“毛刺状”爆发辐射状态并一直保持至项目观测结束；以观测结果揭示了该磁星自转、流量、谱指数的变化规律。该研究为原本观测资料稀缺的磁星提供了有效的双频同时观测数据，将进一步推动磁星辐射以及演化模型的发展与完善。相关成果发表在《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）上。

磁星（magnetar，又译磁陀星）是宇宙中一类具有超强（可达1014-1015高斯）磁场的年轻中子星，其磁场强度是目前地面实验室所能获得的最强磁场的上亿倍。迄今，天文学家仅发现了32颗磁星及其候选体，其中仅有6颗在射电波段被探测到周期性脉冲辐射。相比于已发现的3500余颗射电脉冲星样本，其数量可谓极其稀少。和通常脉冲星相比，磁星表现出剧烈的高能辐射、多变的平均轮廓、不稳定的自转等特性。由于其奇特的观测特性和物理特性，磁星观测研究对探究中子星演化、揭示快速射电暴辐射等一系列科学问题均具有重要意义，因而被各大天文望远镜作为重要观测目标。

磁星辐射多变，其不同频率脉冲辐射被认为来自不同的高度区域。脉冲轮廓形状是其辐射区结构、强弱情况的直观反映（图1），因而在多个频段上对揭示磁星辐射区域和辐射机制具有重要意义。为提高观测信噪比，天文学家通过叠加成千上万个脉冲的办法获得磁星的平均脉冲，其轮廓形状可以更加清晰地反映辐射区的宏观结构。为实现这些研究目标，天文学家采用多频段、同时段的观测方法——非同时的多频观测难以确定有关变化是源于时间还是频率。但是，通常情况下多频同时观测需要协调多个望远镜配合完成，并非“手到擒来”，因而相应的此类观测资料也比较稀缺。

近年来，天马望远镜团队对银心黑洞附近磁星PSR J1745-2900和最年轻磁星Swift J1818.0-1607的研究均取得重要成果。近期，该团队在对磁星XTE J1810-197观测的研究中取得新进展。XTE J1810-197于2003年被发现，是第一颗被探测到射电波段辐射的磁星。但它在2008年底进入射电沉寂期，直至2018年12月才再次被探测到射电辐射。研究人员充分发挥天马望远镜“一镜双频”的优势，从2019年1月开始，对XTE J1810-197开展了900余天的2.25/8.60 GHz双频同时观测研究。

该团队通过分析这些长达900余天观测数据的平均脉冲轮廓随时间和频率的变化情况，发现了XTE J1810-197在2018年爆发后的中间脉冲辐射。该磁星的中间脉冲辐射在10年前那次爆发中较为常见，但本次爆发以来尚未有报道。数据分析表明，尽管XTE J1810-197的平均轮廓变化复杂，呈现出单峰、双峰、三峰以及多峰脉冲等类型的结构，但这些“峰”所处在的相位较为固定——主要在该星辐射区的7个区域出现。

研究团队认为，这7个区域的平均轮廓的变化是由辐射区域的等离子团块等有关成分的辐射强弱及开关状态的变化所导致的。该研究所获得的194例双频平均轮廓可分为12种类型（图2），可见不同成分随频率变化不一致，即使同一成分在2.25 GHz和8.60 GHz上随时间的变化也不一致。 研究团队还在对2020年6月15日观测数据（MJD 59015）的分析中发现XTE J1810-197在2.25 GHz和8.60 GHz从正常辐射状态变为“毛刺状”爆发辐射状态（图2），尽管观测信噪比非常高，但是其平均轮廓反而变得极其粗糙，就像布满毛刺。该状态在视觉上表现为“窄而尖”的子脉冲爆发，在物理上有关脉冲的峰值亮度高但持续时间短。研究团队进一步利用平均相位调制指数对毛刺状脉冲爆发频率和强度进行了量化，发现该参数在MJD 59015前后发生了明显增大，结合MJD 59015前后的观测数据，发现毛刺状爆发辐射状态已经持续了一年以上，直至该观测周期的末尾还未结束。

这些观测结果揭示了该磁星自2018年再次爆发以来在自转频率、自转频率变化率、双频流量、谱指数的变化规律（图3）。研究团队发现，在毛刺状脉冲爆发前，这颗磁星的2.25/8.60 GHz流量变化具有一定的同步性，但是在毛刺状脉冲爆发期间，其双频流量变化的同步性显著减弱。另外，尽管该磁星绝大多数情况下表现为谱指数接近零的平谱辐射，但随着进入毛刺状爆发辐射状态其谱有变陡的趋势，而且谱指数涨落更加明显。

研究人员估计了标准偶极磁场和扭曲偶极磁场情况下，2.25 GHz和8.60 GHz的信号距离磁星表面的辐射高度。总体上8.60 GHz辐射比2.25 GHz辐射更靠近磁星表面。该研究发现在标准偶极磁场情况下，这两个频率的辐射高度均会比普通脉冲星高十倍以上。如果该磁星的磁场为扭曲偶极场，两个频率的辐射高度会随着磁场扭曲程度增大而快速下降。这些观测结果将对进一步发展和完善磁星辐射以及演化模型具有重要意义。

相关研究工作得到国家重点研发项目、上海市自然科学基金、国家自然科学基金、天马望远镜重大成果培育项目的支持。

图1. 脉冲星（含磁星）辐射示意图：脉冲星就如快速旋转的灯塔，起源于其磁场两极的“束状”辐射每扫过观测者一次便可探测到一个脉冲；脉冲轮廓形状为其辐射束子结构的直观反映，通常认为高频比低频辐射更靠近星体表面。（该图在Yogesh Maan & Avinash A. Deshpande和John H. Seiradakis & Richard Wielebinski示意图基础上综合加工而成）

图2. XTE J1810-197在2.25/8.60 GHz（红/蓝）12类典型平均轮廓，其中P1/2两个辐射成分一直处于辐射状态，其它辐射成分“时开时关”，而且2.25和8.60 GHz两个频率的辐射变换并不一定同步。

图3. XTE J1810-197观测时长(a)、自转频率(b)及导数(c)、平均流量(d)、谱指数(e)变化图：（b）图表明该磁星自转有长期逐渐变慢趋势；（c）图表明其自转变慢速率并非均匀，但有逐渐均匀的趋势；（d）图反映其2.25和8.60 GHz流量在爆发后快速降低，并在低流量状态保持一段时间后进入剧烈波动期；（e）图为基于双频流量结果得到的其谱指数随时间变化情况，可见其谱指数平均值有变小的趋势，但涨落更明显。