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云團 FAST望遠鏡發現一批暗弱脈沖星

近日，中國科學院國家天文臺研究員韓金林率領的科研團隊，利用FAST望遠鏡（500米口徑球面射電望遠鏡）開展銀道面脈沖星巡天，取得重要進展。研究新發現了201顆脈沖星，其中包括一批最暗弱的脈沖星、挑戰當代銀河系電子分布模型的大色散量脈沖星、40顆毫秒脈沖星、16顆脈沖雙星、一批模式變化和消零脈沖星以及射電暫現源等。5月20日，相關研究成果作為封面文章發表在《天文和天體物理學研究》上。
脈沖星是大質量恒星死亡后的殘骸，是宇宙中密度最高、磁場最強、自轉最快、相對論效應顯著的一類迷人又奇異的天體，是研究宇宙極端環境中物理規律的理想實驗室，也是天文和物理的前沿研究領域（涉及引力波探測、精確驗證廣義相對論、限制極端物理條件下的物態方程、高精度時空基準建立等重要基本問題）。脈沖星的發現和研究，是國際上大射電望遠鏡關鍵科學目標之一。早年的脈沖星發現及脈沖星雙星監測對引力波輻射做出的首次物理驗證，因其意義重大，曾獲兩項諾貝爾物理學獎。自1968年脈沖星發現至今50余年，已發現約3000顆脈沖星，其中約400多顆毫秒脈沖星。
FAST是目前世界上靈敏度最高的射電望遠鏡，配備的19波束L波段接收機，成為世界上最強大的脈沖星搜尋利器。韓金林團隊提出用FAST進行脈沖星快照巡天（the Galactic Plane Pulsar Snapshot survey，GPPS），對銀道面區域輪流進行5分鐘積分，首次使得銀河系大面積脈沖星系統性搜尋進入μJy量級的靈敏區域。FAST觀測預期能夠發現1000顆左右的新脈沖星，期待發現特殊類型高科學價值的脈沖星。2019年，項目團隊完成了觀測模式和數據處理試驗之后，于2019年底GPPS項目被FAST科學委員會選定為重大優先觀測項目之一。2020年初，GPPS巡天項目正式開啟觀測。
截至2021年3月，GPPS共計觀測了約126平方度的銀道面區域，占巡天項目總體規劃的不到百分之五，但已取得了豐碩的科學成果。目前，已發現新脈沖星201顆。與美國Arecibo望遠鏡PALFA巡天相比，GPPS巡天靈敏度總體要高約一個數量級。新發現的一批最暗弱脈沖星流量僅為在5μJy左右（圖1）。
在新發現的脈沖星中，一部分特殊脈沖星的色散量遠超過目前最好銀河系電子密度分布模型（NE2001和YMW16）的預計。如果利用銀河系電子密度模型估算脈沖星距離，這些脈沖星應坐落在銀河之外。考慮到銀河系在這些方向有銀河系的旋臂，它們含有大量電子氣體云團（圖2），很可能是銀河系模型中這些云團的數目或云團里的電子密度被嚴重低估了。因此，新發現的脈沖星對當代通用的銀河系電子密度模型提出挑戰。
GPPS巡天早期結果發現了40顆毫秒脈沖星，其中至少有14顆位于密近雙星系統中。后續對這些毫秒脈沖星的測時觀測可用來探測來自遙遠星系的低頻引力波，還可用于建立脈沖星時間和空間基準，其中一些脈沖星將成為檢驗引力理論的利器，這些發現是對該領域的重要貢獻。
此外，GPPS巡天還發現了大約12顆模式變換或消零脈沖星、1顆旋轉射電暫現源（RRAT）以及與超新星遺跡成協的脈沖星。這些特殊脈沖星對研究脈沖星輻射物理具有重要意義。GPPS巡天團隊記錄和分析了偏振數據，發表了8顆脈沖星的偏振參數和法拉第旋率。巡天工作的高清靈敏數據改進了64顆已知脈沖星的物理參數。
澳大利亞CSIRO天文和空間科學研究員、澳大利亞科學院院士R N Manchester和美國康奈爾大學教授J M Cordes對上述研究工作做出了積極的評價。目前，GPPS項目團隊繼續努力搜尋整個FAST可見銀道面區域，未來結果可期。GPPS項目進展和發現列表見http://zmtt.bao.ac.cn/GPPS/。
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FAST-GPPS巡天靈敏度與其他巡天項目的對比。左圖：FAST-GPPS脈沖星搜尋靈敏度曲線及巡天探測的脈沖星。右圖：GPPS、Arecibo、Parkes等望遠鏡發現的脈沖星光度函數分布比較。
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位于銀河系本地旋臂（上左圖）或人馬旋臂（上右圖）的新發現脈沖星（五角星）具有超常的色散量（DM），遠超經典銀河系電子密度模型估計。下圖展示了新發現脈沖星的DM與兩種銀河系電子密度模型估計的最大DM值的比較，所有脈沖星DM均超出銀河系電子密度模型NE2001在該方向的最大值，6顆脈沖星超出銀河系電子密度模型YMW16給出的最大值。
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