近期，中国科学院上海天文台天马射电望远镜团组利用天马射电望远镜对9颗毫秒脉冲星进行S/X波段双频同时观测，通过双频互校技术成功得到了这9颗毫秒脉冲星X波段（8.60 GHz）的积分轮廓。该研究将具有8 GHz以上积分轮廓资料的毫秒脉冲星的数量从原先的4颗扩充至11颗，显著扩充了有关样本数。结合其它频率上已发表的观测结果，天马望远镜团组首先研究了这9颗毫秒脉冲星的频谱、多频积分轮廓演化，发现9颗毫秒脉冲星在高频射电的积分轮廓宽度和峰间距与低频相比没有明显变化，其中有4颗毫秒脉冲星的射电频谱存在转折。此外，他们还进一步揭示了毫秒脉冲星PSR J1713+0747在2021年4月16日前后发生的一次不同寻常的轮廓变化事件的物理起源。相关成果于2024年1月12日发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。

毫秒脉冲星，是一类自转周期为毫秒量级的转动极快的脉冲星。它们被认为是经历了“吸积再加速”过程的年老脉冲星，迄今为止已有500多颗被天文学家发现，约占目前已知脉冲星总数的15%。通常认为，脉冲星的高频射电辐射区比低频射电辐射区更靠近星体表面，而脉冲星的积分轮廓可直观反映其辐射区结构，因此多频观测对探测其三维辐射区结构并进一步理解其射电辐射机制具有重要意义（脉冲星辐射示意图见图1）。

图1，脉冲星多频射电辐射示意图：脉冲星就像宇宙中的“灯塔”，随着其快速自转，来自于磁极附近区域的束状辐射（“辐射束”）有规律地扫过望远镜，观测者便有机会观测到周期性脉冲辐射。通常认为，脉冲星高频射电辐射区比低频射电辐射区更加靠近星体表面。（此图是在B. Saxton，NRAO/AUI/NSF的原始图片上进行加工而成）

近年来，天文学家利用新建的LOFAR、MWA等阵列望远镜已在几百MHz以下的低频射电波段获得了一批脉冲星的高质量观测数据，而脉冲星（尤其是毫秒脉冲星）高频（>8 GHz）观测资料依旧稀缺，仅有6颗毫秒脉冲星报道过8 GHz以上的观测结果（其中4颗给出了积分轮廓）。究其原因，一是由于脉冲星的射电辐射流量通常随着观测频率升高而迅速降低（表现为较陡的幂律谱），二是由于毫秒脉冲星通常比普通脉冲星的射电辐射更加暗弱。在望远镜口径等观测条件已定的情况下，要实现脉冲星高频射电观测研究的突破就需要积累比低频波段百倍以上的观测时间。但是，让望远镜盯着一颗脉冲星连续观测这么长时间显然不现实，因为望远镜观测时间非常宝贵，再加上观测目标源也会“东升西落”，因此诸多因素使得目前的望远镜对脉冲星进行如此连续长时间的高频段观测变得难以实现。

为了克服对脉冲星进行高频观测的困难，研究团队发挥天马射电望远镜可在S/X波段进行双频段同时观测的优势，发展出“双频互校技术”。该技术利用高信噪比的低频S波段（2.25 GHz）观测数据进行计时分析并生成更精确的计时模型星表，然后将该星表用于把跨越数十天（甚至数百天）的X波段（8.60 GHz）同时观测数据进行叠加。由于新生成的星表“明察秋毫”地反映脉冲星信号到达时间行为，从而保证了X波段脉冲信号在叠加前能够精确对齐（天文学上称“相干叠加”），有效提高信号和噪声的比例。如图2所示，尽管单次毫秒脉冲星观测在X波段无法清晰探测到其脉冲信号，但是通过将多次观测数据进行相干叠加最终得到了其高质量积分轮廓。

图2，利用双频互校技术对天马望远镜S/X波段毫秒脉冲星PSR J1643-1224观测数据分析流程示意图：左侧为某次45分钟的S/X双频同时观测得到的积分轮廓；右侧展示了S和X波段分别叠加所有观测数据后的积分轮廓（S和X波段分别用蓝色和红色表示）。

利用该方法，研究团队成功得到了9颗毫秒脉冲星在8.60 GHz的积分轮廓，其中叠加观测次数最多的毫秒脉冲星PSR J1012+5307，在8.60 GHz总共采用了81次观测，时间跨度长达1210天。这9颗毫秒脉冲星中有7颗是第一次得到其8 GHz以上的积分轮廓，另外2颗的积分轮廓相比历史结果也有更好的信噪比。研究团队利用天马望远镜系统等效流量密度同时估算了这9颗毫秒脉冲星在2.25 GHz和8.60 GHz的平均流量密度，结合已发表的其它频率流量密度数据后发现有4颗毫秒脉冲星存在频谱转折现象，其射电频谱需要用分段幂律谱进行描述（见图3）。这与在一些普通脉冲星中观测到的频谱转折现象相似但转折频率相对更高，其原因有待进一步揭示。

图3，观测获得的9颗毫秒脉冲星射电频谱，纵横坐标分别为流量密度和观测频率，其中4颗毫秒脉冲星存在频谱转折现象。

通常情况下，毫秒脉冲星的积分轮廓稳定性远高于普通脉冲星，目前仅有三颗毫秒脉冲星报道过存在积分轮廓的变化（不包括特殊情况下由于相对论性进动造成积分轮廓改变的毫秒脉冲星），其中包括毫秒脉冲星PSR J1713+0747。历史上曾经两次探测到PSR J1713+0747轮廓变化事件，但由于轮廓变化幅度很小，天文学家无法确定这种变化与频率是否有依赖关系。研究者提出多种模型解释其轮廓变化，比较有代表性的有星际介质“透镜”效应和本征磁层扰动两类模型。PSR J1713+0747大约从2021年4月16号前后又发生了轮廓变化现象。尽管天马团队没有2021年4月16日当天对该星的观测数据，但是他们积累了一些后续多频观测资料。通过对这些数据进行深入分析，他们发现PSR J1713+0747积分轮廓变化的幅度在2.25 GHz到8.60 GHz之间随观测频率增高而显著增大。该发现很大程度上排除了星际介质“透镜”效应的有关模型。因而，天马团队倾向于将此次PSR J1713+0747轮廓变化事件解释为起源于脉冲星磁层中的某种变化。研究团队认为，后续开展更多轮廓变化现象的多波段观测，将帮助天文学家进一步理解脉冲星磁层和射电辐射机制。

除了天马团队成员外，来自广州大学、中国科学院新疆天文台多位研究者广泛参与了这项工作。该研究在国家重点研发项目、上海市自然科学基金、国家自然科学基金、天马望远镜重大成果培育项目支持下完成，并且得到了天马望远镜运行团队的有力保障。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad0724

科学联系人：

闫振，中国科学院上海天文台，yanzhen@shao.ac.cn

沈志强，中国科学院上海天文台，zshen@shao.ac.cn