厦门大学李昂教授团队和合作者在脉冲星PSR J0922+0638自转行为的系统分析方面取得进展-厦门大学天文学系

科学研究

厦门大学李昂教授团队和合作者在脉冲星PSR J0922+0638自转行为的系统分析方面取得进展

脉冲星是高度致密、自转稳定的中子星，其自转频率随时间逐渐减慢。然而，年轻脉冲星的自转行为常受到两类时间不规则扰动的影响：跃变（glitches）和测时噪声（timing noise）。其中，测时噪声中的“红噪声”反映了长时间尺度上的自转不稳定性，常表现为周期性或准周期性的自转频率导数（$\dot{\nu}$）变化。这种长期变化可能源于自由进动、超流体涡旋动力学或磁层状态切换等物理机制。近年来，多颗脉冲星被发现存在$\dot{\nu}$的准周期性调制特征，并与射电脉冲轮廓的变化相关，暗示其背后可能存在统一的调制机制。

PSR J0922+0638（B0919+06）是一颗中等年龄孤立脉冲星，已知具有典型的红噪声、自转频率振荡和辐射相位异常（如“swooshes”事件）。早期研究发现其存在周期性的频率振荡以及多个慢跃变（slow glitch）事件，使其成为研究脉冲星长期自转演化与磁层动力学耦合的重要对象。

尽管PSR J0922+0638的慢跃变和周期性行为早有报道，但此前的研究多集中于短时间尺度，且观测数据存在间断，尚缺乏对其长期自转变化、慢跃变规律及与$\dot{\nu}$调制关系的系统性研究。

在本研究中，厦门大学与中国科学院新疆天文台的研究团队联合利用南山26米射电望远镜和MeerKAT射电望远镜的长期高精度测时数据，对PSR J0922+0638进行了深入分析。在22年的观测数据中，共识别出两次正常跃变事件，其中包括一个此前未被报道的小跃变事件（也是该源迄今发现的最小跃变）；同时在测时残差中发现显著红噪声特征，且其谱指数在该源大跃变前后发生了明显变化，提示跃变事件对自转不规则性具有显著影响。

图1. PSR J0922+0638在大跃变（glitch 2）前后的计时残差和自转演化。灰色区域为南山望远镜的数据缺失。垂直虚线为慢跃变的开始时间，而垂直点划线表示其结束时间。顶部括号中的数字对应于慢跃变的序号。

此外，我们还识别出10次慢跃变事件，其中5次为新发现，详见图1。慢跃变是一类罕见的自转异常，表现为自转频率在数百天内缓慢上升，伴随$\dot{\nu}$的突变。PSR J0922+0638是目前已知慢跃变数量最多、行为最规律的脉冲星之一，为研究慢跃变的起源提供了关键观测窗口。研究发现，慢跃变的频率振幅总量与其持续时间及发生间隔呈良好线性相关，提示其可能受到统一驱动机制的调控。这些慢跃变呈现出约553(21)天的准周期性。同时，$\dot{\nu}$也表现出准周期性振荡。在MJD 56716附近的数据缺失前后，其调制周期分别为537(24)天和600(58)天，与慢跃变的发生间隔高度一致，说明慢跃变可能主导了该周期性变化，见图2。

图2. PSR J0922+0638在2001-2023年间的自转演化。垂直虚线表示正常跃变的发生时期，顶部括号中的数字对应于跃变序号。

进一步地，结合$\dot{\nu}$调制与脉冲轮廓变化之间的相关性分析，推测PSR J0922+0638可能存在磁层双态周期性切换，这种机制既可能触发慢跃变，也可能调制$\dot{\nu}$的长期演化。这为理解磁层—内核相互作用机制、探索脉冲星内部超流行为与磁层动力学之间的联系提供了新线索。

本研究揭示了PSR J0922+0638中慢跃变与长期自转演化之间的密切关系，为构建统一的脉冲星长时间尺度自转演化模型提供了重要观测依据。同时，也展示了慢跃变对红噪声谱指数的显著影响，为脉冲星长期演化、多波段观测、以及精确建模测时噪声、理解中子星自转不规则扰动的物理机制奠定了基础。相关研究成果已被The Astrophysical Journal接收。预印本链接：https://arxiv.org/abs/2506.22765。论文第一作者为厦门大学天文学系刘鹏博士研究生，通讯作者为袁建平研究员（中国科学院新疆天文台）和李昂教授（厦门大学），其他合作者包括王明阳（厦大本科生）、涂中豪（厦大博士后）和中国科学院新疆天文台周霞研究员和王娜研究员。该成果得到科技部SKA专项、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等的支持。