2024 年，堪萨斯大学的一位理论天体物理学家提出了一种解决方案，可以解释蟹状脉冲星的不寻常的“斑马”图案。现在，通过精确的分析，他发现重力透镜效应是充分解释这一现象所需的最后一个缺失要素。

“重力改变了时空的形状，”堪萨斯大学物理与天文学教授米哈伊尔·梅德韦杰夫 (Mikhail Medvedev) 说道，他将于 3 月 15 日至 20 日在丹佛科罗拉多会议中心举行的美国物理学会 2026 年全球物理峰会上展示他的发现。

一篇相关论文已被同行评审的《等离子体物理学杂志》接受，目前可在预印本网站 arXiv 上获取。

“光在引力场中不会沿直线传播，因为空间本身是弯曲的，”他说。 “在平坦时空中，直线的东西在强引力的作用下会变得弯曲。从这个意义上说，引力在弯曲时空中起着透镜的作用。”

引力和等离子体引发了一场独特的宇宙拉锯战

虽然引力透镜效应在黑洞研究中众所周知，但梅德韦杰夫表示，这是第一个观察到的引力和等离子体共同作用形成从太空检测到的信号的情况。

“在黑洞图像中，重力独自塑造了结构，”他说。 “在蟹状脉冲星中，重力和等离子体共同作用。这代表了这种组合效应在现实世界中的首次应用。”

蟹状脉冲星位于银河系英仙臂蟹状星云的中心，距离地球约 6,500 光年。它相对较近的距离和清晰的能见度使其成为研究中子星、超新星遗迹和星云的关键天体。

与其他脉冲星不同的奇怪信号

梅德韦杰夫形容脉冲星的信号非常不寻常。蟹状脉冲星不像阳光那样平滑地传播到所有颜色的连续光谱，而是产生独特的、分离的波段。

“脉冲星的光谱中有一个显着的模式，”梅德韦杰夫说。 “与普通的宽光谱（例如包含连续颜色范围的阳光）不同，螃蟹的高频脉冲间显示离散的光谱带。如果它是彩虹，就好像只出现特定的‘颜色’，中间没有任何东西。”

大多数脉冲星发射的无线电波都是有噪声的并且分布在不同频率上。蟹状脉冲星以清晰的条纹分隔开来，并被完全的黑暗所隔开。

“条纹绝对清晰，条纹之间完全黑暗，”梅德韦杰夫说。 “有一条明亮的光带，然后什么也没有，明亮的光带，什么也没有。没有其他脉冲星显示出这种条纹。这种独特性使得蟹状脉冲星特别有趣，并且具有挑战性。”

重力提供了缺失的部分

梅德韦杰夫模型的早期版本可以重现条纹图案，但它们无法匹配实际观察中看到的强烈对比度。他的研究表明，脉冲星周围的等离子体通过衍射弯曲和传播电磁波，有助于形成图案。

现在，通过将爱因斯坦的引力理论添加到模型中，他已经解释了缺失的对比。

“以前的理论模型可以重现条纹，但不能与观察到的对比度相匹配。重力的加入提供了缺失的部分，”梅德韦杰夫说。 “脉冲星磁气层中的等离子体可以被认为是一个透镜，但却是一个散焦透镜。相比之下，重力充当聚焦透镜。等离子体倾向于将光线分开；重力将它们向内拉。当这两种效应叠加时，它们会通过特定的路径相互补偿。”

干涉图案产生斑马条纹

等离子体和重力之间的相互作用为脉冲星的无线电波创建了多个路径。当这些路径对齐时，波可以相互增强或抵消，形成亮带和暗带的图案。

堪萨斯大学研究人员表示，散焦磁层等离子体和聚焦重力的结合产生了无线电波强度的同相和异相干扰带，表现为蟹状脉冲星的斑马条纹。

“根据对称性，至少有两条这样的光路，”他说。 “当两条几乎相同的路径将光带到观察者处时，它们就形成了一个干涉仪。信号结合在一起。在某些频率下，它们相互增强（同相），产生明亮的波段。在其他频率下，它们相互抵消（异相），产生黑暗。这就是干涉图样的本质。”

研究中子星的新工具

梅德韦杰夫认为，斑马条纹背后的核心机制现在已经基本被了解，尽管进一步的改进可能会提高精度。

梅德韦杰夫说：“似乎不需要额外的物理知识就能定性地解释这些条纹。” “从数量上来说，可能会有一些改进。例如，当前的处理包括静态、最低阶近似中的重力。脉冲星是旋转的，包括旋转效应可能会引入量的变化，尽管不是质的变化。”

这个新模型可以为科学家提供一种强大的方法来研究旋转引力系统并更好地了解脉冲星，而脉冲星通常很难直接可视化。它还可能有助于绘制中子星周围物质的分布图，甚至通过其引力效应提供有关其内部结构的线索。