天體物理學家解開困擾他們數十年的蟹狀星雲”斑馬”條紋之謎
一位天文物理學家破解了蟹狀星雲無線電訊號中奇怪的”斑馬”條紋背後的奧秘。這項發現揭示了位於星雲中心的一顆脈衝星的行為–一顆快速旋轉的中子星會發射出強大的輻射束。 這些發現可能會重塑我們對這些宇宙現象的理解。
經過二十年的探索，研究人員現在知道了蟹狀星雲訊號中獨特的”斑馬”圖案的成因。 位於星雲中心的一顆旋轉的中子星（即脈衝星）產生了條紋效應，讓人們得以一窺太空中的動態力量。 圖片來源：NASA、ESA 和Allison Loll/Jeff Hester（亞利桑那州立大學）： 戴維德-德-馬丁（Davide De Martin）（歐空局/哈伯）
這項研究最近發表在著名期刊Physical Review Letters上，提供了對這宇宙現象的突破性見解。在蟹狀星雲的中心，有一顆12 英里寬的中子星，被稱為脈衝星，它快速旋轉並發出電磁輻射束，像宇宙燈塔一樣橫掃整個宇宙。
第一作者、昆士蘭大學物理與天文學教授米哈伊爾-梅德韋傑夫（Mikhail Medvedev）說：”這種類似燈塔光束的發射隨著恆星的旋轉反复掠過地球。我們觀測到的是脈衝發射，通常每旋轉一到兩次。
蟹狀星雲是1054年出現的一顆超新星的遺跡。庫克大學的研究人員說：”包括中文記載在內的歷史記錄描述了天空中出現的一顆異常明亮的恆星。”
為了更好地理解蟹狀星雲的斑馬紋，Medvedev 建立了一個圓形反射區域的波衍射模型，該區域外的折射率呈徑向變化。 資料來源：Mikhail Medvedev
梅德韋傑夫說，蟹狀脈衝星與其他任何已知的脈衝星都不同，它具有斑馬紋圖案–電磁波譜中與波段頻率成比例的不尋常波段間距，以及高偏振和穩定性等其他奇怪的特徵。
他說：”它非常明亮，幾乎跨越了所有波段。這是我們所知的唯一會產生斑馬紋的天體，而且它只出現在蟹狀脈衝星的一個發射成分中。主脈衝是一個寬頻脈衝，是大多數脈衝星的典型特徵，其他寬頻成分則是中子星的常見特徵。
自從2007 年的一篇論文發現這種模式以來，這位昆士蘭大學的研究人員說，這種模式讓研究人員感到”困惑”。研究人員提出了各種發射機制，但都無法令人信服地解釋所觀察到的模式。
利用蟹狀脈衝星的數據，梅德韋傑夫建立了一種利用波光學的方法，利用電磁脈衝中發現的條紋圖案來測量脈衝星等離子體–帶電粒子（電子和正電子）”氣體”–的密度。
“如果有一個螢幕，電磁波經過時，波不會直接傳播。在幾何光學中，障礙物投下的陰影會無限延伸–如果你在陰影中，就沒有光，在陰影外就能看到光。但是，波光學引入了一種不同的行為–波繞著障礙物彎曲並相互干涉，由於建設性和破壞性干涉，產生了一系列明亮和暗淡的條紋。
這種眾所周知的條紋現像是由一致的建設性干涉造成的，但當無線電波在中子星周圍傳播時卻具有不同的特徵。
梅德韋傑夫說：”如果我們只有一顆中子星作為屏蔽，典型的衍射圖樣就會產生間隔均勻的條紋。但在這裡，中子星的磁場產生的帶電粒子構成了緻密的等離子體，它隨距離中子星的遠近而變化。低頻反射半徑大，投下的陰影也大，而高頻產生的陰影較小，導致邊緣間距不同。
透過這種方法，梅德韋傑夫確定蟹狀脈衝星的等離子體物質導致了電磁脈衝的衍射，從而造成了中子星奇異的斑馬紋。
“這個模型是第一個能夠測量這些參數的模型，”梅德韋傑夫說。 “透過分析邊緣，我們可以推斷出磁層中等離子體的密度和分佈。這太不可思議了，因為這些觀測數據可以讓我們將流紋測量結果轉化為等離子體的密度分佈，本質上就是為中子星的磁層創建影像或進行層析成像。
下一步，我們可以透過收集更多蟹狀脈衝星的數據來檢驗他的理論，並將其強大而奇特的引力和極化效應考慮在內，對理論進行微調。 對等離子體物質如何改變脈衝星訊號的新認識將改變天文物理學家對其他脈衝星的理解。
他說：『蟹狀脈衝星有些獨特–按照天文學標準，它相對年輕，只有大約一千年的歷史，而且能量很高。但它並不孤單；我們知道有數百顆脈衝星，其中有十幾顆也很年輕。脈衝星的理解與觀測技術。
編譯自/ ScitechDaily