支持脉冲星PSR 0833-45的旋转模型的证据

拉达克里希南等

编者按

这篇文章发表于发现脉动星（现称脉冲星）之后的几个月内，它使戈尔德的理论立即得到印证，该理论认为脉动是由快速旋转引起的，脉冲星在旋转时发射出一束穿越空间的辐射，就像灯塔一样显示着自己的存在。本文的作者拉达克里希南曾在印度和澳大利亚接受过射电天文学的培训；他是诺贝尔奖获得者著名科学家拉曼的儿子，后来他继承父业成为班加罗尔物理实验室的负责人。 英文

我们用帕克斯210英尺反射望远镜在2,700 MHz和1,720 MHz频率下对莫隆格勒射电天文台发现的脉冲星 PSR 0833–45 ^[1] ——现在暂时被证认为船帆座－ X 的超新星遗迹——进行了观测。我们发现这颗脉冲星具有脉冲宽度窄、强度高且稳定、完全线偏振和周期变动等值得注意的特征。我们对该天体的观测结果似乎排除了径向脉动是射电辐射起源的可能性，而支持由戈尔德提出 ^[2] 并被戈德赖希讨论过 ^[3] 的旋转模型。 英文

最初的观测是在12月8日、9日和10日用工作于2,700 MHz的宽带相关接收机 ^[4] 进行的。由测量得到的脉冲能量、线偏振和精确周期列于表1中。然而我们在试图获得脉冲波形的过程中很快发现：在通过接收机的500 MHz有效通带时，～10 ms的漂移时间会将天然脉冲平滑到无法识别的程度。脉冲的偏振特征似乎也可能会被通带抹去。因此我们在12月11日、12日、13日和20日的夜晚用更窄的带宽在1,720 MHz频率下进行了重复的观测。用400通道积分器 ^[5] 记录脉冲的快速上升和短暂持续并示于图1中。除去偶然出现的强度异常的脉冲，在一般情况下振幅变动非常低：在我们用两种频率对该脉冲星进行观测的这几天中的任何时间里，取100个脉冲信号的平均值的结果显示仅有不到10%的振幅变动，更不用说脉冲波形了。拉奇等人 ^[6] 曾讨论过在频率为408 MHz时也有类似情况。表1中列出了由在一种或两种频率下进行观测所得到的几个参数。 英文

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1,720 MHz时的脉冲漂移率是用间隔为6 MHz的100 kHz滤波器记录脉冲到达时间测得的。从这一观测所推出的星际色散要比拉奇等人 ^[6] 提供的数值略微高一点，但差别不大。通过对观测到的两个相反偏振的脉冲进行积分可以得到1,720 MHz时的脉冲能量。所得结果与2,700 MHz和408 MHz时的能量值 ^[6] 一起示于图2中。能谱结果表明在较高频率处没有出现拐折，在这方面， PSR 0833–45类似于 CP 1133（参考文献7）。 英文

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我们在1,720 MHz频率下观测了四个晚上，得到了对每个脉冲平均的线偏振面位置角，并发现数值是相同的。其内在一致性要比表1中所示的位置角绝对值的误差范围5%好很多。前三个夜晚在2,700 MHz频率下对位置角进行观测所得的结果也具有很高的内在一致性。假定在上述频率下偏振面不随时间变化且源也不随时间变化，综合这两次观测的结果，我们得出在这两个频率之间有38°± n 180°的转角。当 n ＝0时，相应的旋转量为＋38±10 rad m ^–2 。米尔恩 ^[8] 得到的船帆座– X 区旋转量的平均值为＋46 rad m ^–2 。考虑到在该区内旋转量存在变化，所以这两个结果之间的吻合还是比较好的，并且强有力地支持了这种脉冲星被证认为超新星遗迹的观点 ^[1] 。因此，根据色散和旋转量就可以推导出在这一方向上星系磁场的平均纵向分量 ^[9] 。得出的结果是0.8 μgauss，此结果介于史密斯 ^[9,10] 由银河系中不同方向上的另外三颗脉冲星所得到的数值之间。 英文

在1,720 MHz频率下脉冲中的偏振分布如图3所示。在图3中没有给出斯托克斯参数 V ，因为我们发现圆偏振还不足3%。整个脉冲几乎完全（>95%）是线偏振的，偏振面的方向从脉冲主峰的一侧到另一侧发生了系统的变化。Ｑ轴选取为115°以便与脉冲峰值处的偏振方向一致。偏振面从脉冲的一侧约140°偏振角（PA）处均匀地旋转到另一侧的小于90°偏振角处，如图4所示。因为辐射的振幅是从零开始增加到最大值然后再次下降的，所以与偏振对应的磁力线也必然在类似的范围内平滑地变化。用2,700 MHz接收机不可能对脉冲进行更仔细的测量，原因在于前面已经提到过的带宽过大问题。然而仍然可以清晰地显示出偏振面在从脉冲一侧到另一侧时确实发生了约40°～60°的变化。在不同偏振下都得到了平滑的脉冲波形，这与2,700 MHz频率下的脉冲偏振结构类似于1,720 MHz下脉冲偏振结构的假定相吻合。 英文

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米尔斯 ^[11] 报道了他在阿雷西博观测到的蟹状星云脉冲星，他发现其周期在以每年1 / 2,400的速率加长。他进一步指出：由于 PSR 0833–45具有目前已知的次短周期，或许它也会呈现出相同的特性。受其观点启示，我们又对 PSR 0833–45的周期进行了几次观测，观测结果示于图5中。 英文

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PSR 0833–45的周期在以每天10 ns的速率增加，即每年1 / 24,000。假设该脉冲星位于拉奇等人 ^[6] 所给出的位置，则利用我们的全部观测数据可以得出：日心参照系中的周期 P =0 ^s · 089208483±2×10 ^–9 ＋ R （儒略日期＝2440210.0）。其中，周期增长率 R ＝(10±0.4)×10 ^–9 s。根据莫菲特和埃克斯 ^[7] 的记号，稳定度Δ P / P ≈1.2×10 ^–13 。 英文

假定脉冲星辐射的偏振能反映其产生区域的磁场是合理的。那么脉冲的高度线偏振必定意味着脉冲中的所有辐射都产生自一个磁场基本均匀的小区域，或者在经过这样的区域时受到其影响。如果随后的脉冲都具有完全相同的偏振状态，那只能说明在偏振保持不变期间脉冲应该来自磁层中的同一部位。我们分别于12月11日、12日、13日和20日每晚在1,720 MHz下对 PSR 0833–45进行了好几个小时的观测，未曾发现偏振度或偏振面有任何可观测到的变化。由此可以推定：辐射的脉动源，或者在我们周期性观测到稳定辐射源时所通过的“窗口”，是与恒星磁场的某个区域恒定地联系在一起的。利用戈尔德 ^[2] 提出的旋转中子星模型就可以合理地解释脉冲的所有观测特征。任何一种将射电脉冲与恒星径向振荡联系起来的假说都必须借助以下三个特殊条件中的一个：（ a ）从我们的参照系看来该磁场是恒定的，（ b ）脉冲星的旋转与它的脉动是同步的，或者（ c ）恒星的旋转轴和磁轴是在同一条直线上的。（ a ）基本上没有成立的可能性；（ b ）在一般情况下也不大可能成立，尤其是当我们在观测中发现脉冲速率在减慢而偏振状态并不改变时；基于对称性的要求（ c ）也可以被排除，因为已经观测到了偏振面从脉冲主峰一侧到另一侧的系统变化。 英文

正如戈尔德的模型所预言的那样，两个最快的脉动源都显示出周期随时间而增加的现象，这就为旋转假说提供了进一步的支持。戈德赖希 ^[3] 详尽阐述了一种简单的轴对称形式，并证明相对论性粒子一定是沿着延伸出光速圆柱面之外的磁力线运动的。如果一颗脉冲星被认为是处于此模型的非轴对称形式，那么在任意给定方向上的辐射束流都将由视线、该星体的磁轴及旋转轴这三者的几何关系所决定。如果事实确实如此，那么用平均脉冲波形将可以代表给定方向辐射逃逸时通过的磁“窗口”的轮廓，而脉冲的偏振状态将与频率无关。这一模型将证实在解释法拉第旋转时默认的假定，即认为不同的频率在源处以同一偏振产生。因此，偏振从脉冲主峰一侧到另一侧的任何变化都将与脉冲过程中磁力线的旋转相关联。如果偏振面的变化超过了45°，例如在 PSR 0833–45中观察到的情况，则意味着辐射必定来自于靠近磁极的区域，并且磁轴相对于旋转轴的倾斜角度不会太小。 英文

我们认为有必要提请注意一下木星与脉冲星之间的某些相似之处。来自木星和脉冲星的低频辐射都以结构及偏振状态的不可预见性和高度复杂性为主要特征。而在较高频率下，木星辐射的偏振状态则基本上是线性的、周期性的和高度可预测的。在180°的转动中，总强度因束流而升高和降低，而偏振面会随着磁场的变化而摆动 ^[12] 。可以设想：当频率足够高时，来自任何脉冲星的脉冲在性质上和时间上都将是可重复的。 英文

假设脉冲星有卫星，而且这个卫星能够像木卫一影响木星 ^[13] 那样影响脉冲星的活动，那么辐射就将呈现出在低频时观察到的许多特征。尽管木星近在咫尺，并且人们对其低频辐射的研究也已经经历了很长时间，但也只有在将统计方法与木卫一的运动知识相结合之后才最终导致了调制现象的发现。 英文

戈德赖希 ^[3] 预言周期的变化率反比于周期的平方。蟹状星云脉冲星与船帆座脉冲星的变化率之比为10，与预估值7.5的吻合情况还是不错的。因此，根据他的模型，船帆座超新星的年龄为～10 ⁴ 年。 英文

感谢曼彻斯特博士帮助我们进行1,720 MHz频率下的观测，还要感谢贝斯威克小姐在准备手稿的过程中所提供的帮助。 英文

（王耀杨　翻译；邓祖淦　审稿） h8NJm71vA6A9FGpkb1H434ZDkla1rqQi5WUs/wan2A1fTATcdvHAqbDUZcDaobIQ