The background shows the Vela supernova remnant at optical wavelengths with location of the Vela pulsar indicated. Inset: Artist’s impression of the pulsar’s interior, and the interaction between superfluid vortices and the nuclei that make up the star’s crust. Credit: CTIO/AURA/NSF
脉冲星现在是现代天体物理学的一个经典主题。它的发现获得了1974年诺贝尔物理学奖。英国女科学家乔瑟琳·贝尔·伯奈尔（Jocelyn Bell Burnell）也因发现脉冲星获得了2018年基础物理学特别突破奖(Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics)。
在它们于1967年被发现后不久，理论学家就令人信服地说明了脉冲星的物理模型是中子星，而不是白矮星等其他天体。脉冲星通常被简单地描述为巨型的旋转偶极子，由于辐射损失能量，一般会自转减慢（spin down），然而旋转频率偶尔会突然增加（周期跃变，glitch），再经历数天或数月恢复至跃变前的频率值。
脉冲星周期跃变目前被解释为其内存在超流（superfluid）成分的证据。在一个简化的模型中，周期跃变是由脉冲星中某些超流区域与星体（内）壳层的角动量快速交换引起的。超流涡旋（vortex）因被钉扎（pinned）在壳层的原子核晶格中，所以不随星体自转减慢，允许存储角动量。涡旋与晶格的相互作用（mutual fiction）可使两者耦合，超流成分与其余部分的解耦和重新耦合对应观测到的周期跃变和恢复（relaxation）。地面实验室里He II超流体的跃变现象为超流涡旋的跃变机制提供了一定支持。脉冲星的跃变观测从而提供了一种独特的方式来探测中子星的内部结构和动力学演化。
若要基于跃变观测对脉冲星类天体进行计算，至关重要的是采用对星体物质状态和结构的微观描述。在本研究中，我们对脉冲星周期跃变的计算基于两个代表性的微观Brueckner和相对论Brueckner多体理论（即BHF和RBHF），以现实（realistic）核力做为基本输入，没有任何可调参数，且已通过地面核实验和天文观测数据的检验。我们主要审视了船帆座（Vela）脉冲星2000年跃变的跃变幅度（glitch size）和跃变约1分钟后的短期恢复（short-term post-glitch relaxation）观测数据，发现跃变观测支持船帆座脉冲星是一颗小质量的中子星，典型半径为约12.5千米，且中子的超流能隙受核介质的极化（polarization）程度较大。期待将来高精度设备（如 FAST、HXMT、SKA）对脉冲星的计时观测获得更多信息，进一步深入研究脉冲星结构和跃变理论。
相关研究工作已被Astrophysical Journal接受发表（预印本链接：https://arxiv.org/abs/2107.13997），第一作者为中科院近代物理研究所尚新乐研究员，通讯作者为李昂教授。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、中国载人航天工程巡天空间望远镜专项、中国科学院青年创新促进会及厦门市青年创新基金项目的支持。
图：决定超流涡旋运动的钉扎力（上图）和马格努斯力（中图）的微观计算，以及超流体和荷电星体之间的临界角动量差（下图）。左：不考虑中子超流受核介质的极化作用；右：有无极化作用的对比。