射電望遠鏡發現脈衝星一個罕見的「自轉突變」

脈衝星是快速旋轉的中子星，有時會突然增加自轉速度。這種自轉速率的突然變化被稱為「自轉突變」，記錄在Vela Pulsar中發生一個小組的一部分，結果發表在《自然》雜誌上。大約5-6%的脈衝星是已知自轉突變。Vela脈衝星可能是最著名的——一個非常南方的天體，它的自轉速度大約是每秒11.2次，並且是1968年在澳大利亞的科學家們發現的。

距離1000光年，超新星發生在11000年前，大約每三年一次，這個脈衝星突然加速旋轉。這些自轉突變是不可預測的，而且從來沒有觀測到足夠大的射電望遠鏡可以看到單個脈衝。要理解這一自轉突變可能是什麼，首先我們需要了解什麼是脈衝星。恆星坍塌，在一個典型的恆星的一生中，有三件事會發生。一顆類似太陽大小的小恆星，會像火一樣悄悄地熄滅。如果恆星足夠大，就會產生超新星。在這次大規模爆炸之後，殘骸將會坍塌。如果物體足夠大，那麼它的逃逸速度將大於光速，並形成一個黑洞。

但是如果有一個足夠大的，可以變成超新星的，但又小到不能成為黑洞，就會得到中子星。引力如此之強，以至於繞著原子軌道運行的電子被迫進入原子核。它們與原子核中的質子結合形成中子。這些物體的質量大約是太陽質量的1.4倍，直徑為20公里。密度極其大，一個杯子的大小就相當於珠穆朗瑪峰的重量。它們也會非常迅速地旋轉(隨著時間的推移會逐漸減速)以及擁有一個巨大的磁場，這是地球的3萬億倍。電磁輻射從這個巨大的旋轉磁鐵的兩端發出。現在，如果這個旋轉磁體的一個磁極恰好掠過地球，就會在每次旋轉的時候，在無線電波(和其他頻率)中看到短暫的「閃光」。這叫做脈衝星。

2014年與塔斯馬尼亞大學(University of Tasmania)的26m射電望遠鏡(Mount Pleasant Observatory)開展了一場認真的觀察運動，目的是捕捉Vela Pulsar的自轉突變。以640MB的速度收集每10秒文件的數據，每天19個小時，幾乎是4年，超過3PB的數據(1 pb = 100萬位元組)被收集、處理和分析。2016年12月12日晚上9點36分左右，Vela亮了。浮出水面的是出乎意料的，當自轉突變發生時，脈衝星錯過了一個節拍。在這個「空」之前的脈衝是廣泛而怪異的，從未見過或聽說過。這兩個脈衝後來被證明沒有線性極化，這在Vela也是聞所未聞的。這就意味著這個小故障影響了來自脈衝星的強磁場。在零值之後，一列21個脈衝提前到達，其計時的方差比正常小得多——也很奇怪。

所以導致故障的原因是什麼？最受支持的假設是中子星有堅硬的外殼和超流體核。外皮是慢下來的，而超流體的核心是分開的，不會慢下來。這是一個非常簡單的解釋。真正發生的是非常複雜的，涉及微觀的超流體渦旋，從地殼的晶格中分離出來。大約三年後，核心和殼之間的旋轉差異太大，核心「抓住」殼，加速殼運動。這些數據似乎表明，這一加速過程需要大約5秒鐘的時間。這是理論學家們預測的更快的結果。所有這些和其他信息可以幫助我們理解所謂的「狀態方程」——物質在不同的溫度和壓力下的表現——在一個我們無法在地球上創造的實驗室里。這也讓我們第一次看到了中子星內部的工作原理。

博科園-科學科普｜參考期刊：Nature｜來自：The Conversation

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