云南天文台在球状星团伽马射线辐射起源研究中取得新进展
2024年3月22日，国际天文专业期刊《天体物理杂志》（The Astrophysical Journal）在线发表了中国科学院云南天文台侯贤研究员与费米伽马射线卫星、FAST和Arecibo射电望远镜国际合作团队的研究成果。该工作对球状星团M5的伽马射线辐射进行了详细的分析，对验证球状星团中的毫秒脉冲星形成机制和约束伽马射线辐射模型具有重要意义。
球状星团是最古老和最密集的受引力束缚的恒星系统。其中有比银河系中更丰富的低质量X射线双星（LMXB）和毫秒脉冲星（MSP）系统，它们被认为是通过双星间相互作用的动态方式形成，并与双星遭遇率正相关。
目前已有约40个球状星团被费米卫星探测到伽马射线辐射。主流模型认为星团的伽马辐射来自于其中的MSP的集体贡献，而305颗星团射电脉冲星中仅有3颗被探测到了独立的伽马脉冲辐射。这一方面是由于星团距离较远，只有很亮的脉冲星才有可能被探测到伽马脉冲；另一方面是由于很难获得星团脉冲星的精确星历来搜索伽马脉冲。因此，一旦获得某个星团中脉冲星的精确星历，搜索伽马脉冲来验证其中是否有很亮的伽马MSP就非常有必要。
得益于Arecibo和FAST的观测，人们从球状星团M5中已探测到了7颗MSP，并且获得了它们的精确星历。侯贤等人发现M5的伽马辐射可以由指数截断的幂律谱来描述，与MSP的能谱吻合，但没有探测到单个的伽马脉冲星。研究者认为未探测到脉冲有以下两方面原因：（1）这7颗MSP的自转能损上限与银河系伽马脉冲星的自转能损相当，这表明它们的真实自转能损可能远低于上限，即太弱而无法被探测到；（2）已探测到的3颗星团伽马脉冲星都位于双星遭遇率较高的星团中，高遭遇率会导致LMXB系统被破坏，吸积过程被中断，从而出现未充分吸积的转动较慢且具有较强磁场从而更亮的脉冲星。相反，M5的低遭遇率会产生充分吸积的转动很快的MSP，与银河系中的MSP类似，而星团更远的距离使得它们更难被探测到。
因此，M5的伽马射线辐射来自于其中脉冲星的集体辐射。研究者利用标准的估算方法得到M5中的MSP数量为1-10个，与目前探测到的数量一致。这表明M5中的MSP数量已接近完备。
虽然未探测到M5中来自MSP的独立脉冲辐射，但尝试在类似M5这样的低遭遇率星团中搜索明亮的伽马脉冲星是对上述观点的有益检验。如果我们在这类星团中发现单个明亮的伽马MSP，那么它们的形成就不一定与例如LMXB破坏这种几乎只发生在高遭遇率星团中的过程有关。该工作使得M5成为被深入研究过的球状星团之一。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、FAST专项和SKA（中国）等研究经费的支持。
图1：对M5伽马射线辐射的能谱拟合。最佳拟合为指数截断的幂律谱PLEC4。