研究人員在中子星（包括磁星）中發現了一個普遍的縮放定律，它可以解釋神秘的快速電波暴（FRBs）。透過研究它們射電輻射的子結構，他們發現了它們自轉週期的共通性，從而加深了我們對這些天體現象的理解。

德國波昂馬克斯-普朗克射電天文學研究所的邁克爾-克拉默和劉國領導的國際研究小組研究了一種罕見的超密度恆星，即所謂的磁星，發現了一個似乎普遍適用於一系列被稱為中子星的天體的基本法則。這定律讓人們了解到這些射電源是如何產生電波輻射的，它可能與來自遙遠宇宙的神秘射電閃光–“快速射電暴”（Fast Radio Bursts）–有關。

這些結果發表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）雜誌。

圖1：磁星的藝術印象，中子星利用儲存在超強磁場中的能量發射射電光，導致爆發，這是宇宙中觀測到的最強大的事件之一。圖片來源： Michael Kramer / MPIfR

了解中子星

中子星是大質量恆星的塌縮內核，在直徑不到25 公里（15 英里）的球體中集中了兩倍於太陽質量的物質。因此，那裡的物質是可觀測到的宇宙中最密集的，電子和質子被擠壓成中子，中子星也因此而得名。有3000 多顆中子星可以作為射電脈衝星被觀測到，當它們發射出射電光束時，從地球上就能看到脈衝信號，此時旋轉的脈衝星會把光照向我們的望遠鏡。

磁星及其獨特特性

脈衝星的磁場強度已經是地球磁場的千億倍，但有一小群中子星的磁場強度甚至比地球磁場還要強1000 倍！這就是所謂的磁星。

在已知的大約30 顆磁星中，有6 顆還被發現至少偶爾會發出無線電輻射。銀河系外的磁星被認為是快速電波暴（FRB）的起源。為了研究這種聯繫，馬克斯-普朗克射電天文學研究所（MPIfR）的研究人員在曼徹斯特大學同事的幫助下，詳細檢查了磁星的單一脈衝，並探測到了其中的子結構。原來，在脈衝星、快速旋轉的毫秒脈衝星和其他被稱為旋轉射電瞬變的中子星源中也能看到類似的脈衝結構。

發現宇宙縮放定律

研究人員驚訝地發現，磁星和其他類型中子星的時間尺度都遵循相同的普遍關係，與自轉週期完全成比例。一顆自轉週期小於幾毫秒的中子星和一顆自轉週期接近100秒的中子星的行為與磁星相似，這一事實表明，所有電波大聲中子星的亞脈衝結構的內在起源一定是相同的。它揭示了造成射電發射的等離子體過程本身的訊息，並提供了一個機會，將在FRB 中看到的類似結構解釋為相應旋轉週期的結果。

研究小組的見解

“當我們開始比較磁星發射和FRB 的發射時，我們預計兩者會有相似之處，”論文第一作者、MPIfR 主任Michael Kramer 回憶說。「我們沒想到的是，所有的電波大聲中子星都有這種普遍的比例關係。我們預期磁星由磁場能量驅動，而其他磁星則由旋轉能量驅動，有些非常古老，有些非常年輕，但似乎都遵循這一規律。”

艾菲爾斯貝格100 公尺射電望遠鏡。圖片來源：Raimond Spekking (CC BY-SA 4.0)

Gregory Desvignes 描述了這次實驗：”我們用埃菲爾斯貝格的100 米射電望遠鏡觀測了磁星，並將我們的結果與檔案數據進行了比較，因為磁星並不是一直發射無線電波的。”

拉梅什-卡魯普薩米證實說：”由於磁星的射電發射並不總是存在，因此我們需要靈活應變，迅速做出反應，而像埃菲爾斯貝格這樣的望遠鏡就可以做到這一點。”

連接FRB 和磁星

對於這項研究的合作者本-斯塔珀斯（Ben Stappers）來說，這項成果最令人興奮的地方在於它可能與FRB 有關：”如果至少有一些FRB 源自磁星，那麼爆發中的子結構的時間尺度就可能告訴我們底層磁星源的旋轉週期。如果我們在數據中發現了這種週期性，這將是把這類FRB 解釋為射電源的一個里程碑。有了這些信息，我們就可以開始搜尋了！”

其他資訊

磁星是能量最高的中子星之一，因為它們具有極高的磁場。在迄今為止發現的三十多顆磁星中，只有六顆會發出電波。最近，由於磁星可能與快速電波暴（FRBs）有關，對它們特性的研究興趣急劇增加。快速電波暴（FRB）是銀河系外源產生的毫秒長的電波輻射暴。雖然這些電波暴的起源還不清楚，但磁星被推測為可能的電波暴源之一。

脈衝星首次被發現後不久，就在其射電訊號中發現了短時集中發射的子結構。通常情況下，該子結構有一個特徵性的準週期性和寬度，兩者都與脈衝星的旋轉週期成比例關係。這種關係在經典脈衝星中已經確立了幾十年，近年來又擴展到毫秒脈衝星群。最近，在一些FRB 中也發現了相同類型的短持續時間”微脈衝”，這表明在這兩種情況下存在著類似的潛在發射過程。

這項研究利用艾菲爾斯貝格100 公尺望遠鏡在CX 波段（4-8 GHz）和全球其他一些100 公尺級電波望遠鏡對所有六顆射電雲磁星進行了觀測。