脈沖星PSR J0332+5434的閃爍揭示了宇宙空間的隱藏紋理

天文學(xué)家通過(guò)對(duì)一顆脈沖星長(zhǎng)達(dá)近一年的持續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)宇宙空間會(huì)悄然彎曲并延遲來(lái)自深空的無(wú)線電信號(hào)，從而揭示出星際空間中看不見(jiàn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究由美國(guó) SETI 研究所牽頭，利用艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列對(duì)脈沖星 PSR J0332+5434（又稱 B0329+54）進(jìn)行了約 10 個(gè)月的密集監(jiān)測(cè)，觀測(cè)頻段覆蓋 900 至 1956 MHz，無(wú)線電脈沖在傳播過(guò)程中呈現(xiàn)出類似“閃爍”的衍射和干涉圖樣，這一現(xiàn)象被稱為“閃爍”（scintillation）。

脈沖星是由大質(zhì)量恒星劇烈爆發(fā)后留下的致密、快速自轉(zhuǎn)的恒星殘骸，它們以驚人的規(guī)律性發(fā)射無(wú)線電脈沖，被視為宇宙中的“精密時(shí)鐘”。由于這些脈沖到達(dá)時(shí)間極其穩(wěn)定，天文學(xué)家可以用高靈敏度射電望遠(yuǎn)鏡記錄每一次脈沖的精確抵達(dá)時(shí)刻，從而捕捉到極其細(xì)微的變化，比如與宇宙中低頻引力波相關(guān)的時(shí)延信號(hào)。然而，在從脈沖星到地球的漫長(zhǎng)旅途中，星際介質(zhì)中的氣體和自由電子會(huì)對(duì)無(wú)線電波產(chǎn)生散射，使得信號(hào)被拉伸、擴(kuò)散，抵達(dá)時(shí)間出現(xiàn)微小偏移，有時(shí)只有幾十納秒，而要保持脈沖計(jì)時(shí)實(shí)驗(yàn)的高精度，就必須學(xué)會(huì)測(cè)量并修正這些“空間噪聲”。

研究團(tuán)隊(duì)指出，脈沖星信號(hào)的表現(xiàn)與地面觀測(cè)到的“星星閃爍”頗為類似：地面上看到恒星閃爍，是因?yàn)榈厍虼髿鈹_動(dòng)光路；而脈沖星的無(wú)線電波在穿越星際空間時(shí)，則因漂浮的電子云等結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生明暗相間的條紋，在不同頻率和時(shí)間上不斷變化。這些隨時(shí)間演變的亮暗斑塊構(gòu)成了閃爍帶寬等可以量化的參數(shù)，而閃爍越劇烈，對(duì)脈沖抵達(dá)時(shí)間的影響通常也越明顯，因此通過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)觀測(cè)同一顆明亮且相對(duì)鄰近的脈沖星，研究人員得以將這些閃爍圖樣轉(zhuǎn)化為可用于高精度計(jì)時(shí)實(shí)驗(yàn)的修正量。

在這項(xiàng)依托艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列的研究中，團(tuán)隊(duì)在約 300 天內(nèi)幾乎每天對(duì)這顆脈沖星進(jìn)行短時(shí)觀測(cè)，重點(diǎn)測(cè)量其閃爍帶寬隨時(shí)間的變化。結(jié)果顯示，閃爍強(qiáng)度在數(shù)天到數(shù)月的時(shí)間尺度上明顯起伏，并且數(shù)據(jù)還指向一個(gè)大約 200 天周期的整體變化趨勢(shì)，顯示星際介質(zhì)并非均勻靜態(tài)，而是存在隨時(shí)間演化的大尺度結(jié)構(gòu)。研究人員還提出了一種更可靠的分析方法，用于估算閃爍隨無(wú)線電頻率變化的規(guī)律，充分利用了望遠(yuǎn)鏡的寬頻帶覆蓋能力，為今后類似觀測(cè)提供了可復(fù)用的技術(shù)路徑。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、SETI 研究所實(shí)習(xí)研究員 Grayce Brown 表示，脈沖星是探索宇宙與本星系鄰域的極佳工具，這類成果不僅推進(jìn)脈沖星科學(xué)本身，也在幫助包括搜尋地外文明（SETI）在內(nèi)的其他天文學(xué)領(lǐng)域。所有穿越星際介質(zhì)的無(wú)線電信號(hào)都會(huì)在一定程度上經(jīng)歷閃爍，對(duì)于 SETI 研究者而言，這種特征反而是篩選信號(hào)的有力線索：帶有明顯星際閃爍特征的信號(hào)，更可能來(lái)自太陽(yáng)系之外，而那些不具備此類空間傳播痕跡的，則更可能是地面人造干擾。

共同作者、SETI 研究所技術(shù)信號(hào)研究科學(xué)家 Sofia Sheikh 指出，艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列寬頻帶、可長(zhǎng)期連續(xù)投入同一項(xiàng)目的特性，使其非常適合開(kāi)展脈沖星閃爍監(jiān)測(cè)。通過(guò)追蹤一顆脈沖星信號(hào)在穿越空間時(shí)的細(xì)微變化，科學(xué)家不僅能更清楚地了解脈沖星本身與地球運(yùn)動(dòng)軌跡，還能刻畫(huà)兩者之間星際物質(zhì)的分布狀態(tài)，從而在未來(lái)更好地區(qū)分普通無(wú)線電干擾與可能具有人工起源的異常信號(hào)。

編譯自/ScitechDaily