[비즈한국] 英国摇滚乐队乔伊·迪维申（Joy Division）首张专辑《Unknown Pleasures》的封面艺术令人印象深刻。这是一个由多条起伏不平的曲线图案重叠而成的独特设计。这实际上是人类首次发现的中子星——脉冲星 PSR B1919+21 的无线电频谱观测数据原图。这一设计旨在传达一个信息：他们的音乐世界就像脉冲星一样神秘。
1967年，天文学家乔斯林·贝尔（Jocelyn Bell）通过穆拉德射电天文台（Mullard Radio Astronomy Observatory）捕捉到了一个极其奇特的天体。它在特定的位置以不可思议的极短间隔，持续发射着电波脉冲。这些脉冲每1.337秒出现一次，持续时间约为0.04秒。由于它过于规律，最初人们甚至认为这不可能是自然现象。大家半开玩笑地猜测这可能是外星人发出的信号，因此给它起了一个绰号叫“小绿人（LGM, Little Green Man）”。
遗憾的是，这些脉冲信号的真实身份并非外星人。但它依然是一个令人惊叹的存在。它是一颗超大质量恒星坍缩成高密度小天体后留下的中子星。巨大的恒星坍缩成极小的体积后，会变成高速旋转的中子星。中子星会形成强大的磁场，而磁场轴相对于自转轴会略有倾斜。中子星会沿着磁场喷射出强能量束。由于实际自转轴和磁场轴存在倾斜，中子星喷射出的能量束方向会随着自转周期发生微小旋转。就像转动的灯塔一样，由于它以固定的周期发射闪烁的脉冲电波，因此被称为脉冲星。
通常情况下，由于脉冲星是高速旋转的中子星，脉冲信号的周期也非常短。一颗中子星旋转一圈往往不到1秒，通常在毫秒级别。目前发现的旋转速度最快的脉冲星是2004年发现的 PSR J1748−2446，它每分钟能转4.3万圈，即转速高达4.3万RPM。目前转速最高的超级跑车是戈登·穆雷（Gordon Murray）的T50车型，转速约为1.21万RPM。巨大的中子星的旋转速度竟然比超跑快了近3到4倍！在脉冲星的世界里，超高速和短周期是常态。
然而，天文学家最近发现了一颗周期极长、旋转极慢的脉冲星。它的周期太长、旋转太慢，以至于人们怀疑它是否能被归类为普通的脉冲星。这颗奇特的脉冲星，其自转周期竟然不是1秒，也不是1分钟，而是53分钟！它以近一小时为周期，缓慢地自转着。这颗史上最慢的脉冲星究竟是什么呢？
这次捕捉到的极慢脉冲星完全是一次偶然发现。天文学家原本计划监测夜空中亮度剧烈变化的伽马射线暴天体等瞬变天体。由于这些现象在极短瞬间闪亮后便会消失，如果长时间盯着错误的方向，很容易错过。因此，如果可能的话，需要一次性扫视大范围的天空，以便及时捕捉这些突发现象。
天文学家使用了位于西澳大利亚广阔沙漠中的澳大利亚平方公里阵列探路者（ASKAP）射电望远镜。36个直径各为12米的巨大碟形天线汇聚在一起，像一个巨大的天线一样指向同一个天空区域。它们看起来就像一群站在沙漠中注视同一方向的狐獴。通过这架望远镜，可以一次性扫描总面积为30平方度、相当于150个满月大小的巨大天空范围。天文学家以此在2022年10月15日历时6小时，监测了这片广阔天空，寻找亮度或位置发生快速变化的现象。
然而，意想不到的现象出现了。在距离地球1.6万光年之外的恒星 ASKAP J1935+2148 中，每3225秒就会发出一次持续10到50秒的伽马射线脉冲。这意味着每53分钟才会缓慢重复一次脉冲！从观测到的光谱形态来看，它显然像是一颗普通的脉冲星，只不过它的周期不是几毫秒或几秒，而是长达53分钟。
通过此次观测，天文学家发现 ASKAP J1935+2148 混合了三种不同的脉冲形态。首先是持续10至15秒、强度最大的脉冲信号，共捕捉到15次。其次是强度弱了约26倍的脉冲信号，这些较弱的信号持续时间约370毫秒，在整个观测期间共出现了两次。最后是完全不发射脉冲信号的静默状态。这种持续时间和强度各异的脉冲信号以约53分钟的间隔循环，呈现出非常复杂的形态。
那么，这颗史上最慢的“慢性子”脉冲星究竟是什么呢？正如前面所解释的那样，它无法用传统认知中塌陷的中子星高速自转来解释。目前已知的自转最慢的中子星脉冲星周期也仅为76秒左右，即一分多钟转一圈。相比之下，这次发现的慢速脉冲星自转周期长达53分钟（不是53秒！）。要解释这种极其缓慢的脉冲，可以考虑另一种类型的脉冲星——即白矮星脉冲星的可能性。
简单比较一下，白矮星可以被看作是比中子星稍不那么极端的例子。当质量相对较轻的恒星结束核聚变并走向死亡时，它会抛掉外层物质，剩下的高密度内核就是白矮星。因为它无法再进行核聚变，所以不会产生新的能量，只会随着爆炸后残留的热量缓慢冷却。这种表面温度较高、体积较小的残留物就是白矮星。而中子星则是质量大得多的恒星坍缩后留下的密度更高、更极端的残留物。
事实上，2016年天文学家已经证实，不仅是中子星，白矮星也可以观测到以固定间隔发射的电波脉冲。在天蝎座方向距离380光年处的恒星 AR Scorpii，是一颗由红巨星和白矮星组成的联星系统。天文学家在这里捕捉到了以约1.97分钟为间隔恒定发射的电波脉冲。虽然这比这次发现的53分钟周期的慢速脉冲星周期短，但与已知以毫秒级自转的传统中子星脉冲星相比，确实非常缓慢。
因此，可以考虑这次捕捉到的慢速脉冲星是否也是一颗带有伴星、周期性喷发脉冲的白矮星脉冲星。为了验证这一点，天文学家通过智利的VLT望远镜红外观测设备HWAK-I对 ASKAP J1935+2148 周围的天空进行了观测。但并未发现周围有发射红外线的天体。它作为伴星系统中的白矮星脉冲星的可能性似乎较低。
通过脉冲星的自转周期可以推断出恒星的大致尺寸，但分析结果也令人困惑。在假设了恒星磁场强度、表面曲率等各种因素的宽泛范围内代入本次观测的超慢自转周期后，如果该天体真的是白矮星脉冲星，则会得出一个远超太阳半径0.14倍（普通白矮星尺寸）的、绝对不可能的数值。因此，简单地将其视为白矮星脉冲星也存在困难。
另一种可能性是磁星（Magnetar），即拥有极强磁场的脉冲星。通常磁星由于其强大的磁场，会在周围同时发射周期不同的复杂脉冲信号。此次观测到的 ASKAP J1935+2148 异常复杂的电波频谱形态也可以这样理解。然而，这一假设也存在致命的局限性：磁星本质上仍然是磁场极强的中子星脉冲星。这一解释依然无法解决根本性问题：这个坍缩到微小体积的高密度中子星，究竟是如何以超过50分钟的周期缓慢旋转并喷发脉冲的？
这颗新发现的“慢性子”脉冲星究竟是什么？它是我们已知的传统中子星脉冲星，还是最近开始进入视界的白矮星脉冲星？或许，我们需要为它划分一个全新的第三类范畴。
参考资料
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02277-w
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01688-x
https://www.nature.com/articles/nature18620
作者池雄培（Ji Ung-bae）是谁？他热爱猫与宇宙。童年时期看到《银河铁道999》后，便立志要向世人传播宇宙之美。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过星系相互作用进行的演化，同时参与演讲和写作等各类科学传播活动。著有《暧昧的天文台》、《整天思考宇宙》、《星，光的科学》等书籍。