银河系平面成像搜寻发现四颗新型红背蜘蛛脉冲星候选体及其多波段特性研究

《Publications of the Astronomical Society of Australia》：Investigating four new candidate redback pulsars discovered in the image plane

为解决银河系中心γ射线过剩起源问题，研究人员通过MWA射电成像巡天发现四颗具有掩食特性的红背蜘蛛脉冲星候选体（GPM J1723-33、GPM J1734-28、GPM J1752-30、GPM J1815-14），利用MeerKAT确认GPM J1723-33的毫秒脉冲信号，并通过多波段观测揭示其频率依赖性掩食机制。该研究为隐藏的毫秒脉冲星种群提供关键证据，推进对银河系中心高能辐射起源的理解。

　　

在银河系中心区域，天文学家长期观测到一个难以解释的γ射线过剩现象。一种主流假说认为，这可能源于大量未被发现的毫秒脉冲星（Millisecond Pulsars, MSPs）群体，这些快速旋转的中子星在双星系统中通过吸积伴星物质被“回收”加速，最终转变为以旋转供能为主的脉冲星。然而，由于蜘蛛脉冲星系统（包括红背Redbacks和黑寡妇Black Widows）具有短轨道周期（<24小时）、频繁掩食和强散射等特性，传统脉冲星巡天难以有效探测它们。近年来，低频射电成像技术的发展为在图像域发现这类变源提供了新途径。

为解决这一问题，由澳大利亚科廷大学国际射电天文研究中心（ICRAR）领衔的国际团队利用默奇森宽场阵列（Murchison Widefield Array, MWA）开展的银河系平面监测项目（Galactic Plane Monitor, GPM），在285°

研究团队综合运用多台射电望远镜（包括MWA、uGMRT、ASKAP/VAST、Parkes、ATCA和MeerKAT）进行多频率成像与脉冲搜索，并结合光学/近红外数据（DECaPS2、Pan-STARRS1、VVV）搜寻对应体。关键技术方法包括：1）利用MWA低频（200MHz）成像巡天识别变源；2）通过uGMRT（550-750MHz）和MeerKAT（2625-3500MHz）进行干涉成像与beamforming脉冲搜索；3）采用Lafler-Kinman弦长法分析光曲线以确定轨道周期；4）基于Fermi-Dirac函数拟合掩食轮廓；5）运用MCMC模拟约束掩食机制（自由-自由吸收与同步辐射吸收）。

主要研究结果

1. 脉冲检测与轨道特性

通过MeerKAT在S波段（2625-3500MHz）检测到GPM J1723-33的脉冲信号，其自转周期为2.11030426(16)ms，色散测量（DM）为469(2)pc cm^-3，加速度搜索测得z=11（对应视线加速度2.15ms^-2）。其余三源未检测到脉冲，推测因星际散射或伴星剥离物质的遮蔽所致。通过光曲线折叠分析确定所有源均具短轨道周期（5.15-20.11小时），符合红背系统特征。

2. 掩食机制与频率依赖性

多频率光曲线显示掩食持续时间随频率降低而延长（例如200MHz处掩食相幅达30%-50%）。通过拟合Fermi-Dirac函数量化掩食入出时刻与宽度，并利用MCMC分析排除回旋吸收和诱导康普顿散射机制。自由-自由吸收与同步辐射吸收仍为可行机制，但参数约束较弱，需进一步观测。

3. 光学对应体与伴星约束

DECaPS2光学图像显示GPM J1723-33、GPM J1734-28和GPM J1752-30附近存在潜在光学源（z波段星等21-23等），但高尘埃消光（A_z≈1.7-4.8mag）可能掩盖真实对应体。根据质量函数计算伴星质量下限（0.023-0.15M_⊙），并结合Roche瓣半径估算（0.11-0.28R_⊙）推断伴星为低质量主序星。

4. Fermi γ射线关联性

四颗候选体与Fermi 4FGL-DR4未关联源位置吻合，其中GPM J1723-33和GPM J1815-14位于Fermi 95%误差椭圆内。γ射线变异性指数与谱曲率分析表明其特性与已知脉冲星种群一致，支持这些源为MSP的结论。

5. 伪光度分布与SKA探测潜力

GPM J1723-33的1400MHz伪光度（130mJy kpc²）处于已知红背脉冲星高光度端。对数正态分布拟合表明SKA-low因灵敏度提升（较MWA提高3倍）有望探测更多类似系统，对破解银河系中心γ射线过剩起源具有重要意义。

结论与意义

本研究通过图像域巡天发现四颗红背脉冲星候选体，证实低频成像对探测掩食脉冲星的有效性。GPM J1723-33的脉冲检测为唯一确证案例，其余源的未检测突显了星际介质散射与双星物质相互作用的复杂性。多波段观测揭示的频率依赖性掩食为研究脉冲星-伴星相互作用提供了新窗口。这些发现不仅增强了对蜘蛛系统种群的理解，还为Fermi未关联源的本质提供了关键线索，支持“银河系中心γ射线过剩由MSP种群产生”的假说。未来SKA-low等高灵敏度设备将有望揭示更多隐藏种群，最终解答银河系中心的高能辐射之谜。