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Discovery of Three Glitches in the previously quiet pulsar PSR J1637$-$4642

本文报告了对先前处于静止状态的年轻脉冲星 PSR J1637$-$4642 在 15 年观测期间内发现并分析的三次转动突变（glitch），其中对最大一次事件的模型化分析支持了标准的超流体涡旋爬行范式，并证明了即使是“静止”的脉冲星也会表现出显著的突变活动。

原作者： Zhaoyi Wang, Chuwen Zheng, Yuhong Zhuang, Hanyu Zhang, Peng Liu, Zhonghao Tu, Ang Li

发布于 2026-08-21

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CC BY 4.0

原作者： Zhaoyi Wang, Chuwen Zheng, Yuhong Zhuang, Hanyu Zhang, Peng Liu, Zhonghao Tu, Ang Li

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在深邃的宇宙中，中子星如同宇宙灯塔一般旋转着。这些是质量巨大的恒星在爆炸后留下的坍缩核心，其密度之高，以至于仅一茶匙其物质在地球上的重量就高达数十亿吨。当它们旋转时，会发出辐射束，像时钟一样精准地扫过天空。几十年来，天文学家一直利用这些天体计时器来测试物理定律，但其中最引人入胜的是那些有时表现出异常行为的年轻且充满能量的恒星。偶尔，一颗中子星会突然通过一种被称为“跃变”（glitch）的微小而剧烈的震动来加快其旋转速度。这种现象并非故障，而是这颗恒星隐藏内部结构的线索。科学家认为，在这些恒星内部，存在着一种与固体外壳并存的超流体——一种可以完全无摩擦流动的物质。当固体外壳随着时间的推移自然减速时，内部的无摩擦超流体会保持原有的旋转速度。最终，两者会失去同步，超流体会突然将部分速度传递给外壳，导致恒星旋转加快。通过研究这些跃变，研究人员得以窥探那些他们永远无法触及的恒星内部，从而了解在如此极端压力下才存在的奇异物质状态。

多年来，一颗名为 PSR J1637–4642 的特定中子星一直被认为异常安静。这颗年轻的恒星是在使用澳大利亚帕克斯（Parkes）射电望远镜的一次调查中被发现的，在被定期监测的十多年间，它从未显示出任何此类突然加速的迹象。它属于一群看起来旋转减速过程非常平稳的脉冲星，没有提供任何可供研究的剧烈事件。然而，一项针对 2009 年至 2024 年间收集数据的最新分析推翻了这一平静的景象。研究人员现在发现，这颗曾经被认为“安静”的恒星在此期间实际上经历了三次明显的跃变。第一次也是最强烈的事件发生在 2019 年初，当时恒星的旋转频率发生了微小但可测量的跳跃。随后是两次较小、较微妙的跳跃，分别发生在 2022 年和 2024 年。这颗此前被认为处于静止状态的恒星竟然发生了这些事件，这一事实表明，即使是最看似平静的中子星也可能蕴藏着显著的内部活动，等待着释放积压应力的最佳时刻。

该发现背后的团队来自中国厦门大学，他们花费多年时间对来自帕克斯望远镜（现称为“沐里扬”，Murriyang）的数据进行了精细化处理。他们必须仔细筛选多年的观测数据，考虑到望远镜设备的变更，并过滤掉来自地球自身无线电信号的干扰。他们的工作揭示了第一次跃变是一次重大事件，导致恒星的自转速率突然增加了大约一百万倍于另外两次跳跃的幅度。在这次大跳跃之后，恒星的旋转并未立即恢复到原来的节奏。相反，它表现出一段约 100 天的缓慢指数级恢复过程，逐渐向一个新的、稍快一点的节奏过渡。相比之下，那两次较小的跃变非常微妙，以至于恒星的旋转在跳跃到新速度后似乎立即保持稳定，没有检测到随后的减速过程。这种行为上的差异为科学家们提供了一个对恒星内部发生情况进行建模的独特机会。

通过应用一种描述超流体如何在恒星内部运动的物理模型，研究人员能够估算出参与那次大跃变的超流体区域的大小。他们的计算表明，参与提速的恒星内部部分约占恒星总质量的 1.9%。这一比例与关于位于恒星固体外壳正下方的超流中子层的理论预测完美契合。该模型还表明，这颗恒星的内部温度可能在约一亿度左右，这一数值与其年龄以及随时间降温的过程是一致的。恒星在跃变后表现出的减速速率永久性增加，进一步支持了超流体与外壳已以某种新方式实现永久重新连接的观点。

这一发现挑战了“中子星在发生跃变前会以可预测、稳定的方式积累应力”的简单观点。如果真是这样，人们可能会预期跃变会以规律的间隔或相似的大小发生。然而，PSR J1637–4642 在沉默了近十年后，竟然在短时间内连续释放了三次规模迥异的事件。最大的事件比最小的事件大了一千倍，且发生的时间并不规律。这表明触发这些跃变的过程是复杂的，并且可能带有某种随机性，取决于恒星核心内部错综复杂且混沌的相互作用。虽然研究人员目前还无法预测下一次跃变何时发生，但他们的工作证明了即使是在表面看起来平静的恒星，其内部也是动态且活跃的。这项研究强化了关于中子星包含超流体的标准观点，并证明了这些流体是理解天文学家在全银河系范围内观察到的剧烈、突然旋转变化的钥匙。

技术摘要：此前处于静默状态的脉冲星 PSR J1637–4642 中发现三次跃变（Glitches）

问题与背景
脉冲星跃变——即自转频率的突然增加——是探测中子星内部（特别是地壳和核心中的超流体组分）的关键手段。虽然年轻的脉冲星通常被预期会表现出跃变活动，但 PSR J1637–4642 这一在 Parkes 多波束巡天中发现的年轻孤立脉冲星，在发现后的十多年里一直未显示出任何跃变活动。尽管它具有较高的自转能损（spin-down luminosity）和年轻的特征年龄（ $\tau_c \approx 41$ kyr），但一直被认为处于“静默”状态。本文通过研究 PSR J1637–4642 的自转演化，旨在调查这种静默是永久性的，还是该脉冲星蕴含着潜在的跃变活动，并表征驱动任何观测事件的物理机制。

方法论
作者分析了利用 Murriyang (Parkes) 无线电望远镜获取的、跨度为 15.5 年（从 2009 年 2 月 19 日 MJD 54881 到 2024 年 10 月 6 日 MJD 60589）的 PSR J1637–4642 定时观测数据。数据集根据接收器和后端系统被分为三个阶段：多波束接收器阶段（2009–2020）、双接收器阶段（2020–2021）以及仅使用 UWL 的阶段（2021–2024）。

数据归约使用 PSRCHIVE 软件包进行，包括无线电频率干扰（RFI）剔除、非相干解色散以及脉冲到达时间（ToAs）的生成。由于该脉冲星发射较弱，仅获得了 166 个可靠的 ToAs。这些 ToAs 被用于使用 TEMPO2 进行分析，以建立相位连接的自转模型。该模型包含了频率（ $\nu$ ）及其导数（ $\dot{\nu}, \ddot{\nu}$ ）的截断泰勒展开，以及用于解释跃变的阶跃变化。

跃变检测通过识别定时残差中的不连续性来完成。作者将跃变建模为 $\nu$ 和 $\dot{\nu}$ 的阶跃变化，并辅以可选的指数恢复项。对于最强的事件，研究采用了基于涡旋爬行（vortex-creep）框架的物理建模方法，通过贝叶斯推断（使用 Bilby 软件包和 dynesty 采样器）来约束超流体转动惯量分数和弛豫时间尺度。

主要贡献与结果
研究报告了在 PSR J1637–4642 中发现的三次截然不同的自转跃变，打破了长达十年的自转静默期：

跃变 1 (MJD 58352)： 最大的事件，其频率变化分数 $\Delta\nu/\nu \approx 2.7 \times 10^{-6}$ 。它表现出明显的指数恢复，衰减时间尺度 $\tau_d \approx 67$ 天，恢复分数 $Q \approx 0.015$ 。该事件伴随着自转能损率幅值的永久性增加。
跃变 2 (MJD 59443)： 一个显著较小的事件， $\Delta\nu/\nu \approx 2.2 \times 10^{-9}$ 。未检测到统计学上显著的指数恢复。
跃变 3 (MJD 60445)： 一个中等规模的事件， $\Delta\nu/\nu \approx 2.76 \times 10^{-8}$ （具体为 $27.6 \times 10^{-9}$ ）。与跃变 2 类似，未观察到显著的恢复，这可能是由于后跃变数据覆盖稀疏所致。

跃变之间的复发时间是不规则的（大约分别为 9.5 年、3.0 年和 2.7 年）。作者指出，该脉冲星表现出强烈的定时噪声，导致出现了一个很大的表观制动指数（ $n \approx 33$ ），这使得解释长期长期演化趋势变得复杂。

跃变 1 的物理建模
最强事件的后跃变演化在涡旋爬行框架内进行了建模。分析得出：

超流体转动惯量分数 $I_l/I \approx 0.0187$ ，与内壳层的超流体组分一致。
内禀弛豫时间尺度 $\tau_l \approx 102$ 天。
在假设标准钉扎能量（ $E_p \sim 0.1 - 1$ MeV）的情况下，推断出的内部温度 $T \sim 10^8$ K。

线性响应的主导地位和较小的恢复分数表明，弛豫过程是由涡旋的热爬行而非非线性雪崩过程驱动的。

意义与主张
本文声称，这些结果强化了标准的超流体跃变范式，证明了即使是此前被归类为“静默”的脉冲星也能容纳实质性的跃变活动。在单个源中检测到振幅跨越三个数量级的三次跃变，凸显了跃变行为的多样性，这对简单的应力积累模型提出了挑战。

作者总结道，虽然长期的静默期表明应力可以积累多年，但随后的不规则复发和变化的跃变规模意味着，触发机制可能涉及中子星内部复杂的、可能是随机的过程。该研究强调，持续的定时观测对于确定真实的跃变等待时间分布以及进一步探测此类系统的内部超流体动力学至关重要。研究结果将 PSR J1637–4642 置于高度活跃、频繁跃变的脉冲星（如 Vela 脉冲星）与更稳定的演化脉冲星之间的桥梁位置。

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