[비즈한국] 英國搖滾樂隊喬伊·迪維申（Joy Division）首張專輯《Unknown Pleasures》的封面藝術令人印象深刻。這是一個由多條起伏不平的曲線圖案重疊而成的獨特設計。這實際上是人類首次發現的中子星——脈衝星 PSR B1919+21 的無線電頻譜觀測資料原圖。這一設計旨在傳達一個資訊：他們的音樂世界就像脈衝星一樣神秘。
1967年，天文學家喬斯林·貝爾（Jocelyn Bell）透過穆拉德射電天文臺（Mullard Radio Astronomy Observatory）捕捉到了一個極其奇特的天體。它在特定的位置以不可思議的極短間隔，持續發射著電波脈衝。這些脈衝每1.337秒出現一次，持續時間約為0.04秒。由於它過於規律，最初人們甚至認為這不可能是自然現象。大家半開玩笑地猜測這可能是外星人發出的訊號，因此給它起了一個綽號叫“小綠人（LGM, Little Green Man）”。
遺憾的是，這些脈衝訊號的真實身份並非外星人。但它依然是一個令人驚歎的存在。它是一顆超大質量恆星坍縮成高密度小天體後留下的中子星。巨大的恆星坍縮成極小的體積後，會變成高速旋轉的中子星。中子星會形成強大的磁場，而磁場軸相對於自轉軸會略有傾斜。中子星會沿著磁場噴射出強能量束。由於實際自轉軸和磁場軸存在傾斜，中子星噴射出的能量束方向會隨著自轉週期發生微小旋轉。就像轉動的燈塔一樣，由於它以固定的週期發射閃爍的脈衝電波，因此被稱為脈衝星。
通常情況下，由於脈衝星是高速旋轉的中子星，脈衝訊號的週期也非常短。一顆中子星旋轉一圈往往不到1秒，通常在毫秒級別。目前發現的旋轉速度最快的脈衝星是2004年發現的 PSR J1748−2446，它每分鐘能轉4.3萬圈，即轉速高達4.3萬RPM。目前轉速最高的超級跑車是戈登·穆雷（Gordon Murray）的T50車型，轉速約為1.21萬RPM。巨大的中子星的旋轉速度竟然比超跑快了近3到4倍！在脈衝星的世界裡，超高速和短週期是常態。
然而，天文學家最近發現了一顆週期極長、旋轉極慢的脈衝星。它的週期太長、旋轉太慢，以至於人們懷疑它是否能被歸類為普通的脈衝星。這顆奇特的脈衝星，其自轉週期竟然不是1秒，也不是1分鐘，而是53分鐘！它以近一小時為週期，緩慢地自轉著。這顆史上最慢的脈衝星究竟是什麼呢？
這次捕捉到的極慢脈衝星完全是一次偶然發現。天文學家原本計劃監測夜空中亮度劇烈變化的伽馬射線暴天體等瞬變天體。由於這些現象在極短瞬間閃亮後便會消失，如果長時間盯著錯誤的方向，很容易錯過。因此，如果可能的話，需要一次性掃視大範圍的天空，以便及時捕捉這些突發現象。
天文學家使用了位於西澳大利亞廣闊沙漠中的澳大利亞平方公里陣列探路者（ASKAP）射電望遠鏡。36個直徑各為12米的巨大碟形天線匯聚在一起，像一個巨大的天線一樣指向同一個天空區域。它們看起來就像一群站在沙漠中注視同一方向的狐獴。透過這架望遠鏡，可以一次性掃描總面積為30平方度、相當於150個滿月大小的巨大天空範圍。天文學家以此在2022年10月15日曆時6小時，監測了這片廣闊天空，尋找亮度或位置發生快速變化的現象。
然而，意想不到的現象出現了。在距離地球1.6萬光年之外的恆星 ASKAP J1935+2148 中，每3225秒就會發出一次持續10到50秒的伽馬射線脈衝。這意味著每53分鐘才會緩慢重複一次脈衝！從觀測到的光譜形態來看，它顯然像是一顆普通的脈衝星，只不過它的週期不是幾毫秒或幾秒，而是長達53分鐘。
透過此次觀測，天文學家發現 ASKAP J1935+2148 混合了三種不同的脈衝形態。首先是持續10至15秒、強度最大的脈衝訊號，共捕捉到15次。其次是強度弱了約26倍的脈衝訊號，這些較弱的訊號持續時間約370毫秒，在整個觀測期間共出現了兩次。最後是完全不發射脈衝訊號的靜默狀態。這種持續時間和強度各異的脈衝訊號以約53分鐘的間隔迴圈，呈現出非常複雜的形態。
那麼，這顆史上最慢的“慢性子”脈衝星究竟是什麼呢？正如前面所解釋的那樣，它無法用傳統認知中塌陷的中子星高速自轉來解釋。目前已知的自轉最慢的中子星脈衝星週期也僅為76秒左右，即一分多鐘轉一圈。相比之下，這次發現的慢速脈衝星自轉週期長達53分鐘（不是53秒！）。要解釋這種極其緩慢的脈衝，可以考慮另一種型別的脈衝星——即白矮星脈衝星的可能性。
簡單比較一下，白矮星可以被看作是比中子星稍不那麼極端的例子。當質量相對較輕的恆星結束核聚變並走向死亡時，它會拋掉外層物質，剩下的高密度核心就是白矮星。因為它無法再進行核聚變，所以不會產生新的能量，只會隨著爆炸後殘留的熱量緩慢冷卻。這種表面溫度較高、體積較小的殘留物就是白矮星。而中子星則是質量大得多的恆星坍縮後留下的密度更高、更極端的殘留物。
事實上，2016年天文學家已經證實，不僅是中子星，白矮星也可以觀測到以固定間隔發射的電波脈衝。在天蠍座方向距離380光年處的恆星 AR Scorpii，是一顆由紅巨星和白矮星組成的聯星系統。天文學家在這裡捕捉到了以約1.97分鐘為間隔恆定發射的電波脈衝。雖然這比這次發現的53分鐘週期的慢速脈衝星週期短，但與已知以毫秒級自轉的傳統中子星脈衝星相比，確實非常緩慢。
因此，可以考慮這次捕捉到的慢速脈衝星是否也是一顆帶有伴星、週期性噴發脈衝的白矮星脈衝星。為了驗證這一點，天文學家透過智利的VLT望遠鏡紅外觀測裝置HWAK-I對 ASKAP J1935+2148 周圍的天空進行了觀測。但並未發現周圍有發射紅外線的天體。它作為伴星系統中的白矮星脈衝星的可能性似乎較低。
透過脈衝星的自轉週期可以推斷出恆星的大致尺寸，但分析結果也令人困惑。在假設了恆星磁場強度、表面曲率等各種因素的寬泛範圍內代入本次觀測的超慢自轉週期後，如果該天體真的是白矮星脈衝星，則會得出一個遠超太陽半徑0.14倍（普通白矮星尺寸）的、絕對不可能的數值。因此，簡單地將其視為白矮星脈衝星也存在困難。
另一種可能性是磁星（Magnetar），即擁有極強磁場的脈衝星。通常磁星由於其強大的磁場，會在周圍同時發射週期不同的複雜脈衝訊號。此次觀測到的 ASKAP J1935+2148 異常複雜的電波頻譜形態也可以這樣理解。然而，這一假設也存在致命的侷限性：磁星本質上仍然是磁場極強的中子星脈衝星。這一解釋依然無法解決根本性問題：這個坍縮到微小體積的高密度中子星，究竟是如何以超過50分鐘的週期緩慢旋轉並噴發脈衝的？
這顆新發現的“慢性子”脈衝星究竟是什麼？它是我們已知的傳統中子星脈衝星，還是最近開始進入視界的白矮星脈衝星？或許，我們需要為它劃分一個全新的第三類範疇。
參考資料
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02277-w
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01688-x
https://www.nature.com/articles/nature18620
作者池雄培（Ji Ung-bae）是誰？他熱愛貓與宇宙。童年時期看到《銀河鐵道999》後，便立志要向世人傳播宇宙之美。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過星系相互作用進行的演化，同時參與演講和寫作等各類科學傳播活動。著有《曖昧的天文臺》、《整天思考宇宙》、《星，光的科學》等書籍。