来自堪萨斯大学的一位理论天体物理学家或许解开了近20年以来关于在蟹状星云中观察到的高频无线电辐射中的非同寻常的“斑马”模式的谜团。
他的研究最近发表在物理评论快报(PRL)中。
蟹状星云的核心是一颗中子星，它已成为一个直径12英里的脉冲星，向整个宇宙发射电磁辐射束。
“这种辐射类似于灯塔的光束，随着恒星的每次旋转不断扫过地球，”首席作者、堪萨斯大学物理与天文学教授米哈伊尔·梅德韦杰夫解释道。“我们观察到的是脉冲辐射，通常在每次旋转中包含一到两个脉冲。我所讨论的脉冲星被称为蟹脉冲星，位于蟹状星云的中心，距离我们6000光年。”
蟹状星云是1054年观察到的超新星残骸。
“历史记载，包括中国的记录，描述了一颗在天空中突然出现的非常明亮的星星，”这位堪萨斯大学的研究人员提到。
然而，与任何其他已知的脉冲星不同，梅德韦杰夫指出，蟹脉冲星显示出一个独特的斑马模式，其特点是在电磁谱中的不寻常带间距，该间距与带频率相关，以及其他特殊特征，如高偏振性和稳定性。
“在几乎所有波段上它都异常明亮，”他说。“这是唯一已知产生斑马模式的天体，它仅出现在蟹脉冲星辐射的一个组成部分中。主要脉冲是宽带脉冲，典型于大多数脉冲星，还有其他常见于中子星的宽带成分。然而，高频间脉冲是独特的，频率范围在5到30千兆赫，类似于微波炉的频率。”
自2007年的一项研究发现该模式以来，梅德韦杰夫提到它对研究人员来说依然是“困惑的”。
“已经提出了多种发射机制，但没有一种成功解释观察到的模式，”他补充道。
利用蟹脉冲星的数据，梅德韦杰夫开发了一种利用波动光学的方法，通过检查电磁辐射中的干涉图样来评估脉冲星等离子体的密度—即带电粒子（电子和正电子）的“气体”。
“当电磁波与表面相互作用时，它不会直接穿过，”梅德韦杰夫澄清道。“在几何光学中，由障碍物造成的阴影是无限延伸的；如果你在阴影中，没有光线到达你，但在这个区域之外，光是可见的。然而，波动光学改变了这种行为—波绕过障碍物并相互干涉，产生一系列由于相干与反相干干涉而形成的明暗条纹。”
这个众所周知的条纹模式效应源于持续的相干干涉，但当无线电波在中子星周围穿行时却表现出不同的特征。
“如果我们仅将中子星作为障碍，则典型的衍射图样将产生均匀间隔的条纹，”这位堪萨斯大学的研究人员解释道。“然而，中子星的磁场产生带电粒子，形成一个从星体表面变密的等离子体。当无线电波穿过等离子体时，它在较稀疏的区域移动，但在较稠密的等离子体上被反弹。这种反射因频率而异—低频率在更大的距离上反射，形成更大的阴影，而高频率则投下较小的阴影，因此产生不同的条纹间隔。”
通过这种方式，梅德韦杰夫得出结论，围绕蟹脉冲星的等离子体导致了电磁脉冲的衍射，从而产生了中子星的独特斑马模式。
“这个模型是第一个能够确定这些参数的模型，”梅德韦杰夫表示。“通过分析条纹，我们可以推断磁层中的等离子体的密度和分布。这是令人震惊的，因为这些观察使我们能够将条纹测量转化为等离子体的密度分布，实质上允许我们创建图像或进行中子星磁层的层析成像。”
展望未来，梅德韦杰夫提到，他的理论可以通过从蟹脉冲星收集到的额外数据进行测试，并做出微调以考虑其强烈而独特的引力和偏振效应。这对等离子体如何影响脉冲星信号的新见解可能会重塑天体物理学家对其他脉冲星现象的理解。
“蟹脉冲星相对独特—在天文学标准下，它大约有一千岁，和能量极为丰富，”他解释道。“但它并不孤单；我们知道有数百颗脉冲星，其中包括十几颗年轻的脉冲星。已知的双脉冲星，也曾用于测试爱因斯坦的广义相对论理论，也可以使用这种提议的方法进行探索。这项研究确实可以扩展我们对脉冲星的理解和观测技术，特别是那些年轻和高能的脉冲星。”
