勞倫斯——在過去的二十年里，科學家們一直對蟹狀星云脈沖星發出的無線電波中出現的明亮、獨特的條紋圖案感到疑惑，蟹狀星云脈沖星是1054年中國和日本天文學家觀測到的超新星遺跡。
“引力改變了時空的形狀，”堪薩斯大學物理與天文學教授米哈伊爾·梅德韋杰夫說道。他將在2026年3月15日至20日于丹佛科羅拉多會議中心舉行的美國物理學會全球物理峰會上發表他的研究成果。
“光在引力場中不會沿直線傳播，因為空間本身是彎曲的，”他說。“在平坦時空中原本是直線的路徑，在強引力的作用下會變成彎曲的。從這個意義上講，引力在彎曲的時空中起到了透鏡的作用。”
梅德韋杰夫表示，雖然引力透鏡效應在黑洞的背景下已被廣泛討論，但這是天文學家唯一觀察到等離子體和引力之間“拉鋸戰”塑造觀測信號的例子。
他說：“在黑洞圖像中，只有引力塑造了其結構。而在蟹狀星云脈沖星中，引力和等離子體共同作用。這是這種聯合效應在現實世界中的首次應用。”
從天文尺度上看，蟹狀星云脈沖星距離地球相對較近，它位于銀河系英仙臂的蟹狀星云中心，從地球到它只有大約6500光年（視線良好的情況下）。由于它距離地球近且易于觀測，對蟹狀星云和蟹狀星云脈沖星的研究使天文學家能夠深入了解星云、超新星和中子星等天體。
梅德韋杰夫說：“脈沖星的光譜呈現出一種非凡的模式。與普通的寬光譜（例如包含連續顏色范圍的陽光）不同，蟹狀星云的高頻脈沖間期呈現出離散的光譜帶。如果把它比作彩虹，就好像只出現了特定的‘顏色’，中間沒有任何過渡色。”
大多數脈沖星的射電輻射頻譜較寬且噪聲較大，不像蟹狀星云脈沖星那樣具有清晰的帶狀結構。
梅德韋杰夫說：“這些條紋非常清晰，條紋之間完全是黑暗的。一條明亮的條紋，然后一片漆黑，接著又是一條明亮的條紋，然后又是一片漆黑。其他脈沖星都沒有這種條紋。這種獨特性使得蟹狀星云脈沖星格外有趣，也更具挑戰性。”
梅德韋杰夫早期的模型雖然能夠重現條紋，但卻無法解釋蟹狀星云脈沖星中實際觀測到的高對比度條紋。事實上，他最近的研究表明，蟹狀星云脈沖星的等離子體物質會導致電磁脈沖發生衍射，而這正是造成這顆中子星獨特斑馬紋圖案的主要原因。
但現在梅德韋杰夫將愛因斯坦的引力理論也考慮在內，發現它在蟹狀星云脈沖星的斑馬紋圖案中起著關鍵作用。
梅德韋杰夫說：“之前的理論模型可以重現條紋，但無法達到觀測到的對比度。引入引力因素彌補了這一缺失。”他補充道：“脈沖星磁層中的等離子體可以被視為一個透鏡——但它是一個散焦透鏡。相比之下，引力則起到聚焦透鏡的作用。等離子體傾向于將光線擴散開來；引力則將它們向內拉。當這兩種效應疊加時，在某些特定路徑上，它們會相互抵消。”
堪薩斯大學的研究人員表示，散焦的磁層等離子體和聚焦的引力相結合，產生了同相和反相的無線電波強度干涉帶，這些干涉帶表現為蟹狀星云脈沖星的斑馬紋。
“根據對稱性，光線至少存在兩條這樣的路徑，”他說道。“當兩條幾乎相同的路徑將光線帶到觀察者面前時，它們就形成了一個干涉儀。信號會疊加。在某些頻率下，它們會相互增強（同相），產生明亮的條紋。在另一些頻率下，它們會相互抵消（反相），產生黑暗。這就是干涉圖樣的本質。”
堪薩斯大學的研究人員表示，他對觀察到的斑馬紋的機制現在幾乎完全得到了解釋感到滿意。
梅德韋杰夫說：“從定性上解釋這些條紋似乎不需要太多額外的物理理論。從定量上講，或許可以進行一些改進。例如，目前的處理方法在靜態的最低階近似中考慮了引力。脈沖星在旋轉，考慮旋轉效應可能會帶來定量上的變化，但不會帶來定性上的變化。”
堪薩斯大學的研究人員表示，這項研究可能使科學家能夠更直接地探測旋轉引力天體。此外，這項新發現或許有助于我們更深入地了解脈沖星——它們體積小，難以用圖像呈現。這項研究也為脈沖星理論和模擬提供了一個獨特的驗證平臺。最后，該模型可以成為研究中子星周圍物質分布的靈敏工具，甚至有可能通過其引力效應探測中子星內部結構。
