ASKAP发现新型红背毫秒脉冲双星PSR J1728-4608：等离子体环境与轨道演化的多波段研究

《Publications of the Astronomical Society of Australia》：Discovery of the redback millisecond pulsar PSR J1728–4608 with ASKAP

本刊推荐：研究团队通过澳大利亚SKA探路者望远镜图像域搜索，发现新型红背蜘蛛脉冲星PSR J1728-4608。该脉冲星自转周期2.86毫秒，轨道周期5.05小时，在888MHz频段被遮挡轨道比例达42%。通过多波段测时与成像观测，揭示其轨道周期变化源于伴星引力四极矩变化，并证实同步辐射吸收是射电波段遮挡的主导机制。该研究为脉冲星回收过程、双星演化及等离子体环境相互作用提供了关键案例。

　　

在银河系的隐秘角落，存在着一类特殊的天体系统——蜘蛛脉冲星。这些宇宙中的"黑寡妇"和"红背"蜘蛛，得名于它们蚕食伴星的奇特行为。作为宇宙中最精确的时钟，毫秒脉冲星（MSP）在双星系统中通过吸积伴星物质实现自转加速，最终形成每秒旋转数百次的致密天体。然而，这类系统在射电波段会周期性"消失"，其背后的物理机制至今仍是未解之谜。

澳大利亚SKA探路者望远镜（ASKAP）的观测数据中，一个编号为VAST J172812.1-460801的神秘源引起了天文学家的注意。这个源表现出周期约5小时的奇特光变，让人联想到蜘蛛脉冲星的遮挡行为。为了揭开其神秘面纱，由F. Petrou和Y. Wang领导的研究团队开展了多波段联合观测，最终确认这是一个新型红背毫秒脉冲星系统PSR J1728-4608。

研究团队采用多望远镜协同观测策略，包括ASKAP的图像域巡天、Parkes望远镜的波束成形观测、升级后的巨型米波射电望远镜（uGMRT）以及MeerKAT望远镜。通过脉冲星计时技术，团队精确测量了该系统的自转参数和轨道动力学特性。同时，利用盖亚（Gaia）卫星的光学数据和费米γ射线望远镜的归档数据，寻找多波段对应体。

关键实验方法

研究综合运用图像域搜索（ASKAP的VAST巡天）发现候选体，通过脉冲星计时（TEMPO2软件）确定轨道参数，采用干涉成像（uGMRT、MeerKAT）测量流量变化，结合色散测量（DM）分析等离子体环境，并利用光学测光（盖亚DR3）研究伴星光变曲线。

4.1 计时解决方案

PSR J1728-4608被确认为自转周期2.86毫秒的毫秒脉冲星，轨道周期5.05小时。计时分析显示显著的轨道周期变化率?_orb= 3.35(9)×10^-10，这一现象被归因于伴星引力四极矩的变化。

4.1.1 脉冲轮廓演化

脉冲轮廓显示明显的频率依赖性演化，在3062MHz出现第二个成分。散射时标测量表明存在超出星际介质预测的额外散射，可能源于双星系统内的局部等离子体。

4.1.2 超额色散测量

在遮挡边界测量到最大DM_excess= 2.0±1.2 pc cm^-3，对应电子柱密度N_e= 5.9±3.6×10¹⁸cm^-2。低频（650MHz）遮挡开始时间更早，表明频率依赖性遮挡行为。

e（右y轴）随轨道相位的变化。uGMRT在650MHz的数据显示为红色方块，Parkes在2368MHz的数据显示为圆圈。轨道相位相对于T_asc定义，遮挡中心位于轨道相位约0.25处。更多细节见第4.1.2节。'>

4.2 成像

4.2.1 射电

折叠光变曲线显示在888MHz波段遮挡轨道比例达42%。遮挡持续时间与频率呈幂律关系，指数n = -1.74。频谱分析显示谱指数α = -1.81(3)，符合典型脉冲星特征。

asc计算，显示两个连续周期。更多细节见第4.2.2节。'>

4.2.2 光学

盖亚数据发现光学对应体Gaia1，位置偏移小于0.5角秒。G波段平均星等18.8等，光变曲线显示色球调制和辐射效应的复合特征，表明伴星受到脉冲星辐射加热。

5.1 轨道周期变化

通过系统分析轨道周期变化的四种可能机制（引力波辐射、多普勒效应、质量损失和引力四极矩变化），研究确认引力四极矩变化是主导因素。PSR J1728-4608的轨道周期变化特征与其他已知红背脉冲星一致。

orb）与最小伴星质量（M_c）关系图，包括PSR J1728-4608。颜色映射表示脉冲星轨道周期（P_orb）值。PSR J1728-4608的推导值见表2。'>

5.2 光学光变曲线形态

辐射参数f_sd≈ 2.9的计算表明该系统处于色球调制主导向辐射主导的过渡区域，这与观测到的双峰但相位偏移的光变曲线特征一致。

sd与P_orb关系图，包括PSR J1728-4608。关系L_sd∝ P_orb^4/3显示为f_sd=2（实线）和f_sd=4（虚线），假设我们的源参数T_eff=4384K，M_tot=1.5M_⊙。点按光学光变曲线每轨道周期最大值数量着色，黑色表示两个最大值，橙色表示一个。该图改编自Turchetta等人（2023）；更多细节见第5.2节。'>

5.3 费米关联

距离PSR J1728-4608约2角分的4FGL J1728.0-4606被确认为潜在γ射线对应体。虽然脉冲搜索未获成功，但其γ射线光度L_γ= 5.85×10³³erg/s和γ射线转换效率η_γ= 44%与已知脉冲星特征一致。

γ与?关系图，包括PSR J1728-4608。虚线表示恒定γ射线效率η线。右：4FGL脉冲星的γ射线变率指数与谱曲率显著性关系图，PSR J1728-4608高亮显示。详情见第5.3节。'>

5.4 探索遮挡机制

通过系统分析七种可能遮挡机制（等离子体频率截止、折射、散射、自由-自由吸收、诱导康普顿散射、回旋吸收和同步辐射吸收），研究确认同步辐射吸收是最合理的解释。计算显示遮挡物质延伸至伴星洛希瓣半径约2.5倍处，非热电子群体的同步吸收能完美解释观测到的频率依赖性遮挡。

这项研究首次完整刻画了PSR J1728-4608这一新型红背脉冲星系统的多波段特性。其轨道周期变化为研究双星系统角动量转移提供了天然实验室，而对遮挡机制的深入理解则增进了我们对等离子体与相对论粒子相互作用的认知。随着SKA等新一代射电望远镜的投入使用，图像域搜索将发现更多此类系统，最终构建完整的蜘蛛脉冲星种群图谱，揭示毫秒脉冲星形成与演化的全貌。