MWA非相干漂移扫描在185 MHz对80颗已知脉冲星的系统性研究及其对低频射电天文学的启示

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：A study of 80 known pulsars at 185 MHz using MWA incoherent drift-scan observations

本研究利用MWA（Murchison Widefield Array）望远镜的存档非相干和漂移扫描数据，在185 MHz频率上对80颗已知脉冲星进行了系统性探测，其中30颗为该频率首次探测。研究团队优化了基于PRESTO的搜索流程，实现了约30,000 deg2的天区覆盖和最高8 mJy的灵敏度。通过分析脉冲轮廓、流量密度、频谱特性、散射效应和脉冲宽度-周期关系，为低频脉冲星辐射机制和星际介质传播效应提供了重要观测约束，为SKA-Low等未来低频巡天奠定了方法论基础。

　　

脉冲星自1967年被发现以来，一直是研究极端物理环境、恒星演化和星际介质的独特实验室。然而，尽管早期低频观测揭示了色散、散射等重要的传播效应以及许多源的频谱转折现象，但绝大多数已确认的脉冲星是在400 MHz以上的观测频率被发现的。在ATNF（澳大利亚国家望远镜机构）目录中，仅有约20%的脉冲星在350 MHz以下有探测记录。近年来，低频脉冲星搜索取得了显著进展，但低频观测仍面临星际散射和色散导致脉冲展宽、探测灵敏度下降等挑战，特别是在高色散量（DM）和短周期脉冲星的探测方面。

为了扩展低频脉冲星样本并深入研究其特性，由Ting Yu领衔的研究团队利用MWA（Murchison Widefield Array）望远镜Phase I的存档数据，开展了一项系统性研究。该研究重新处理了48次漂移扫描观测的VCS（电压捕获系统）数据，中心频率为185 MHz，带宽30.72 MHz，总积分时间达45小时，覆盖天区约30,000 deg²。相关成果发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。

研究团队在中国SKA区域中心原型机上部署了优化的、基于PRESTO（脉冲星搜索和计时软件包）的搜索流程。数据处理包括射频干扰（RFI）剔除、零DM滤波、非相干去色散（采用2555个 trials 的步进DM方案）以及周期性和单脉冲搜索。灵敏度估算采用了标准的辐射计方程，并考虑了系统温度（T_sys）、非相干阵列增益（G_inco）和天空温度（T_sky）模型。

本研究成功探测到80颗已知脉冲星，相比之前的巡天（Xue et al. 2017）增加了35颗，增长约60%。其中，30颗脉冲星是首次在185 MHz频率上被探测到，并获得了它们的脉冲轮廓和流量密度。探测到的脉冲星自转周期（P₀）范围从1.87毫秒到4.86秒，色散量（DM）介于2.64至180.16 pc cm^-3之间。有6颗脉冲星是通过非相干波束的旁瓣探测到的，这略微增加了有效搜索天区。

3.1 与其他低频脉冲星巡天的比较

本研究与南半球的SMART巡天（使用MWA Phase II相干积分，灵敏度达2-3 mJy）和GLEAM-X成像巡天（对极端散射或超长周期源有优势）形成了互补。北半球的巡天（如AO327, GBNCC, LOTAAS, PUMPS）则在100 MHz以上频率提供了高灵敏度探测。本工作通过更宽的天区覆盖和更长的驻留时间，扩展了先前MWA的非相干普查工作。

3.2 探测到的脉冲星流量

在185 MHz成功测量了77颗脉冲星的流量密度，范围在30至3600 mJy之间。通过将测量值与基于400 MHz目录数据（假设谱指数α=-1.6）外推的预期值进行比较，发现中值流量比S₁₈₅/S_exp为0.96^+0.11_-0.09，表明在~180 MHz以上明显的低频转折并不常见。测量值与外推值之间的偏差主要源于频谱模型外推的不确定性（如频谱弯曲、断裂或低频转折）以及脉冲星本身的流量变化（如模式变换、零值脉冲）。

3.3 低频频谱转折

结合185 MHz流量测量值和已发表的其他频率数据，对脉冲星进行了宽带频谱拟合。在测试的五种频谱模型中，有47颗脉冲星的频谱表现出低频转折特征。对其中的6颗脉冲星，其频谱与同步自吸收（SSA）模型近似相符。研究还探讨了转折频率（ν_peak）与自转周期（P₀）之间可能存在的反相关关系，但当前样本下统计显著性较弱。

3.4 低频散射展宽

对于80颗探测到的脉冲星中的56颗，利用文献中的散射谱指数（α_sc）推算了其在185 MHz的预期散射时标（τ_exp）。其中有20颗脉冲星的τ_exp超过了其脉冲宽度（W₁₀），表明散射展宽显著影响了这些源在本次搜索中的可探测性。对8颗具有可分辨散射尾的脉冲星，采用了前向卷积方法进行拟合，分别使用了薄屏和厚屏散射模型。拟合得到的散射谱指数范围在-3.84至-1.53之间，普遍浅于柯尔莫哥洛夫湍流预期的-4.4，表明散射介质存在复杂性。例如，船帆座脉冲星需要混合散射模型才能较好地拟合。

3.5 脉冲宽度-周期关系

测量了脉冲星的10%峰值处的脉冲宽度（W₁₀）。回归分析显示，W₁₀与P₀之间存在反比关系，幂律指数μ约为-0.25至-0.28，这与不同频率下的先前研究结果一致，证实了这种趋势在低频区域同样成立。W₁₀与自转能损率（?）呈正相关，与表面磁场强度（B_surf）呈负相关，可能反映了高能脉冲星磁层膨胀或年轻脉冲星因其磁层约束较弱和光柱半径较大而具有更宽的波束。

讨论与结论

本研究将已知脉冲星在185 MHz的预测流量密度与局部灵敏度极限进行比较，发现仍有105颗预测流量高于探测阈值的脉冲星未被探测到。这主要归因于两个选择偏差：对于高DM（DM ? 150 pc cm^-3）脉冲星，散射导致的脉冲展宽显著降低了基于FFT（快速傅里叶变换）搜索的可探测性；对于低DM脉冲星，则可能由于强散射闪烁、未预料到的低频频谱转折或系统性更宽的W₅₀/P₀比率而未被探测。

频谱分析表明，许多脉冲星频谱在米波段偏离简单幂律。仅少数源符合SSA模型，表明大多数转折行为可能由其他机制（如周围介质的自由-自由吸收）主导。散射分析强调了星际效应在低频对脉冲星探测的重要影响，拟合的散射谱指数普遍偏离经典理论，揭示了星际介质的复杂结构。脉冲宽度-周期关系的确认支持了发射高度随周期变化的模型。

总之，这项MWA VCS搜索在185 MHz频率上覆盖了南天30,000 deg²的天区，最佳灵敏度达到8 mJy，产生了包含80颗脉冲星的星表，极大地扩展了低频脉冲星样本。研究结果为了解脉冲星发射机制和星际介质特性提供了宝贵的资源，为下一代SKA-Low等设备的观测建立了重要的方法和数据基础。未来，通过与LOFAR、uGMRT（升级版巨米波射电望远镜）等多频率设备协同观测，以及开展更深度的积分和系统性的偏振研究，将进一步深化我们对低频脉冲星物理的理解。