科学家利用“中国天眼”发现球状星团NGC6712首颗脉冲星

近日，中国科学院上海天文台与国内外合作者利用“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜，FAST），发现了球状星团NGC6712中的首颗脉冲星。相关研究成果发表在《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）上。

球状星团是由成千上万（甚至几十万）颗恒星密集汇聚而成的集团，从外围至中心其恒星密度快速增大，因外形呈球状而得名。球状星团平均恒星密度比太阳周围高几十倍，到其中心则可达上千倍。因年龄老、恒星密度高、碰撞频繁，球状星团是脉冲星存在的富矿区，也是天文学家热衷搜寻的重要区域。至今，已在36个球状星团中发现了230多颗脉冲星（约占已知脉冲星总数的7%），其中不乏独特性质的脉冲星。

NGC6712是一个距离我们约23万光年、总质量约为10万倍太阳质量的球状星团。2019年，上海天文台与国内外合作者利用“中国天眼”调试期共担风险观测时间，找到了该球状星团方向上脉冲星的“蛛丝马迹”。

根据当时所有银河系电子密度模型推算出的该脉冲星距离都比NGC6712小7万光年以上，一个有趣又难以回答的问题——“新发现脉冲星是否位于NGC6712内”摆在研究人员面前。

为解答疑问，科研人员后续申请更多的FAST观测时间，并探索了短轨道周期脉冲星加速搜寻、高精度计时分析等。研究对跨越447天的总量4T以上观测数据开展上万次搜寻运算、计时分析后，测定该脉冲星自转周期、轨道周期及自转频率一阶导数分别为2.15毫秒、3.56小时和5.18×10^-16赫兹/平方秒。由于如果缺少球状星团加速效应，则无法解释脉冲星自转频率变化率为正的观测结果，研究从而认证了此脉冲星位于NGC6712内，它也成为球状星团NGC6712中首颗被发现的脉冲星，并被命名为J1853-0842A。

J1853-0842A是一颗稀缺的具有非同寻常双星“掩食”特性的“黑寡妇”脉冲星。如同黑寡妇蜘蛛会吃掉自己的伴侣一样，“黑寡妇”脉冲星正在“蚕食”伴星物质。关于毫秒脉冲星如何从伴星吸积物质并获得加速的具体演化图景尚不清晰，“黑寡妇”脉冲星是探讨相关问题的重要“活化石”。天文学家发现约有20颗具有“掩食”现象的“黑寡妇”脉冲星，它们的脉冲信号在“掩食”期间几乎均经历完全遮挡过程。然而，此次发现的J1853-0842A脉冲信号在“掩食”期未被完全遮挡，只是受到额外时间延迟。图（a）所示的是以B1957+20为代表的“黑寡妇”脉冲星常见的“掩食”现象计时残差，无信号区域对应完全遮挡阶段；图（b）为此次新发现的“黑寡妇”脉冲星的“掩食”现象计时残差，残差（延迟）异常增大区域对应非完全遮挡阶段。此前，仅发现3颗和J1853-0842A类似“掩食”现象“黑寡妇”脉冲星（其中1颗位于球状星团NGC104）。

完全遮挡“掩食”“黑寡妇”脉冲星观测只能给出伴星蒸发物中自由电子密度下限，而像J1853-0842A这样的非完全遮挡“掩食”“黑寡妇”脉冲星则可以给出有关自由电子更严格的限定。研究估算出J1853-0842A伴星蒸发物中自由电子密度约1.88×10⁶个/立方厘米，并提出了目前脉冲星吸积率上限约为每年3.05×10^-13太阳质量。

该发现对于NGC6712中脉冲星的进一步搜寻、该方向银河系电子密度模型的完善、毫秒脉冲星演化研究等具有重要意义。国家天文台、美国国立天文台、西弗吉尼亚大学、国家授时中心等单位参与该项研究。相关成果被世界科技研究新闻信息网（PHYS.org）专栏报道。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、上海市自然科学基金等的资助。此外，FAST运行团队为高质量数据获取提供支持。