毫秒脉冲星多波段观测研究

Pulsar science is one of the frontiers of astrophysics. The formation process of millisecond pulsars (MSPs) is still a hot topic of discussion. In recent years, along with the discovery of a new class of transitional MSPs, which switch between accretion-dominated state of low-mass X-ray binaries (LMXBs) and rotation-powered MSP state, the mechanism that MSPs are “spin-up” by gaining angular momentum from the accreting materials of its companion in low-mass X-ray binaries (LMXBs) is better understood. However, there are still some problems, like insufficient sample observed, incomplete observations and different theoretical explanations. This project intends to use various types of observation equipments to carry out researches on multi-wavelength observations of millisecond pulsars, examining its nature between the radio, X-ray, optical and gamma-ray radiation characteristics and between different states. The detailed tasks would be: (1) radio, X-ray and optical observation and identification of unassociated gamma-ray sources in the third Fermi source catalogue (3FGL), in order to find more transitional millisecond pulsars. (2) multi-wavelength observations and studies of the current transitional millisecond pulsars, in order to obtain more information. (3) theoretical modelling to make a reasonable explanation for the observed phenomena. It is expected that this project would give new clues on the better understanding of the accretion processes in LMXBs and millisecond pulsar formation mechanism.

脉冲星科学是天体物理学的前沿领域之一，而毫秒脉冲星的形成过程依然是人们讨论的热点。近几年，随着一类在吸积主导的低质量X射线双星(LMXBs)和转动主导的毫秒脉冲星之间相互转换的过渡型毫秒脉冲星的发现，人们对毫秒脉冲星是在LMXBs中吸积物质而被加速的形成机制有了些新的认识，但还存在着样本不足，观测现象不完备，理论解释不统一等问题。本项目拟利用在轨的各类观测卫星和设备，开展对毫秒脉冲星的多波段观测研究，考察其在射电，X射线，光学和伽玛射线波段的辐射特性和在不同态之间的性质。具体展开以下工作：(1)对费米第三个伽玛源表3FGL中的未认证源开展射电，X射线和光学波段的认证，以期发现更多过渡型毫秒脉冲星。(2)对当前的过渡型毫秒脉冲星实施进一步的多波段跟踪观测，以获得更多信息。(3)理论建模，对观测现象做出合理解释。本项目有望在更好地理解LMXBs中的吸积过程和毫秒脉冲星的形成机制方面提供新线索。

毫秒脉冲星的形成机制依然是当前脉冲星科学的一个重要研究方向。而近年来新出现的一类能够在吸积主导的低质量X射线双星态和转动主导的毫秒脉冲星态之间转化的过渡型毫秒脉冲星系统为毫秒脉冲星的形成机制增加了新线索，被认为是连接低质量X射线双星和毫秒脉冲星的桥梁。然而，样本的严重不足（确定的只有三个）及有限的态转化次数阻碍了人们对该类系统的深入研究，进而无法充分地考察和理解毫秒脉冲星的形成过程。针对这些问题，本项目的主要研究内容包括：(1)对费米卫星第三个伽玛源表3FGL中的未认证源开展射电、X射线和光学波段的认证，增加过渡型毫秒脉冲星样本。(2)对已有的和可能的过渡型毫秒脉冲星进行多波段监测，以获取更多的信息。(3)理论建模，对观测现象做出合理解释。本项目在实施过程中，成功申请到了云南天文台丽江2.4米光学望远镜两个年度的观测时间，主要对目标源进行光谱观测。并且与台湾地区鹿林天文台和美国密西根州立大学建立合作关系，利用其小口径光学望远镜对目标源进行测光观测。另外还申请到了SOAR 和 Gemini South大口径光学望远镜的观测时间，对一颗源进行了光谱观测。 本项目主要成果有：（1）利用多波段观测数据，从费米3FGL未认证源中成功认证出了两颗毫秒脉冲星系统，增加了毫秒脉冲星及可能的过渡型毫秒脉冲星的样本；其中一颗毫秒脉冲星未来有可能发生态转化；双星间激波(intra-binary shock)和外间隙磁层模型可以解释从X射线到伽玛射线的能谱。（2）对现有的及可能的过渡型毫秒脉冲星候选体进行了长期的多波段监测，但没有发现态转化；（3）对一颗超长周期的伽玛脉冲星双星系统进行了多波段观测和数据分析，结果表明脉冲星星风和伴星星风之间存在相互作用，进而导致了伽玛射线的耀发。(4) 作为项目的扩展工作，发现毫秒脉冲星无法完全解释M31星系的伽玛射线辐射。本项目在国际著名期刊发表了四篇论文，圆满完成既定目标。