中国天眼首次发现脉冲星的新辐射状态：矮脉冲

中国科学院国家天文台的科学家利用500米口径球面射电望远镜（FAST）发现并研究了一种新的脉冲星辐射状态，揭示了脉冲星磁层中未知的物理过程。

我们都知道，脉冲星是一种特殊的恒星，它们是由大质量恒星在爆发成超新星后留下的致密核心。脉冲星有很强的磁场和很快的自转，所以它们会在空间中发出周期性的射电信号，就像一盏灯塔一样。这些信号被我们的射电望远镜接收到后，就可以形成一个脉冲轮廓，也就是每个周期内信号强度随时间变化的曲线。不同的脉冲星有不同的脉冲轮廓，有些很宽，有些很窄，有些很复杂，有些很简单。这些脉冲轮廓反映了脉冲星辐射区域的形状和位置，以及我们观测到它们的角度。

那么，脉冲星是怎么产生这些射电信号的呢？这是一个很复杂也很有趣的问题。我们目前认为，脉冲星辐射是由高能粒子在磁场线上运动时产生的。这些粒子是从脉冲星两极附近的极点区域产生的，它们是由强烈的电场将原子核和电子从表面剥离，并使之成对产生正负电子而形成的。这些粒子在磁场线上加速运动时，会发出同步辐射或曲率辐射，这就是我们看到的射电信号。这些信号会随着脉冲星自转而扫过我们的视线，所以我们就可以看到周期性的脉冲。

但是，并不是所有的脉冲星都能持续地发出稳定的信号。有些老年脉冲星会经常出现一段时间没有信号或者信号很弱的情况，这种情况就叫做“停波”。为什么会出现停波呢？可能是因为在某些条件下，极点区域不能产生足够多的粒子来维持辐射，或者是因为磁场结构或辐射区域发生了变化，或者是因为其他地方产生了大量的等离子体而影响了辐射过程。但是，我们不太清楚停波时期脉冲星磁层中到底发生了什么，因为我们没有办法测量它们没有辐射时候的物理状态。

这时候，FAST望远镜就派上了用场。FAST是世界上最大的单口径射电望远镜，它有着非常高的灵敏度和分辨率，可以探测到很微弱的信号。在2020年8月和9月，FAST在进行一项寻找脉冲星的重点项目时，无意中观测到了一颗很亮的脉冲星PSR B2111 46。这颗脉冲星是一颗相对老年的脉冲星，科学家们早就知道它经常出现停波现象。

但是，在FAST的观测中，科学家们发现了一种以前从未见过的信号，就是在停波期间，偶尔会出现一些非常弱、非常窄的脉冲。为了验证这种新的辐射状态，科学家们在2022年3月又对这颗脉冲星进行了两个小时的观测。“最后，我们从中挑选出了175个这样的窄弱脉冲。”研究人员说。根这些脉冲与正常脉冲在脉宽和能量上有明显的差异，所以被命名为“矮脉冲”。

矮脉冲是一种与正常脉冲不同的辐射状态，它们反映了脉冲星磁层中不同的物理过程。正常的单个脉冲是由大量的粒子在规则形成的间隙中产生强烈的放电而产生的，就像磁层中发生了一场粒子雷暴一样。而矮脉冲是由一滴或几滴粒子在一个不稳定的间隙中产生对生产而产生的，就像磁层中下起了一场粒子雨滴一样。这些零星、弱小、窄窄的脉冲构成了一个与正常脉冲无关的辐射状态，而且这些脉冲经常表现出一种罕见的反转谱，也就是说它们在高频率下发出更强的辐射，这在天文学中是很少见到的。

那么，这些矮脉冲能告诉我们什么呢？首先，它们能告诉我们，在停波时期，脉冲星并没有完全停止辐射，而是有着微弱而难以察觉的辐射。其次，它们能告诉我们，在不同的辐射状态下，脉冲星磁场结构并没有发生改变。科学家们通过测量矮脉冲和正常脉冲的偏振特性发现，它们都遵循同样的偏振角曲线，这说明它们都来自于同样位置和方向的磁场线上。最后，它们能告诉我们，在老年脉冲星中存在着一种新的粒子产生和辐射机制，它可能与极点区域附近电场和等离子体密度有关。
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这是一项具有重要意义的发现，它为我们理解脉冲星的内部结构和演化提供了新的线索，也为我们探索宇宙中的极端物理条件提供了新的窗口。