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第16章 脉冲星

1.脉冲星的发现

最初,人们认为,恒星如它的名字一样,永远不变。大多数恒星的变化过程是如此漫长,人们根本觉察不到它的变化。然而,并不是所有的恒星,都那么平静。后来人们发现,有些恒星也很“调皮”,变化多端。于是,就给那些调皮的恒星,起了个专门的名字,叫“变星”。

蟹状星云位于金牛星座,距离地球6500光年,形成于1054年的一次壮观超新星爆炸中。每年有三个星期,在白天可观测它的存在,同时在夜晚会暂时比满月更明亮一些。中国古代书籍中,曾提及螃蟹云翳,称之为“寄宿恒星”。目前,在螃蟹云翳的中心位置,残留着以难以置信的速度旋转的中子星,每当它旋转一周时,会释放两道窄射电波射向地球。这种像灯塔似的发出周期性电波的中子星,叫做“脉冲星”。脉冲星是快速旋转的中子星,其实就是变星的一种。

1967年10月,剑桥大学研究生乔丝琳·贝尔检测射电望远镜收到的信号时,发现狐狸星座有一颗星,发出一种周期性的电波。她无意中发现了这些有规律的脉冲信号的周期十分稳定,为1.337秒。经过仔细分析,科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号,人们就把它命名为脉冲星。一开始,人们对此很困惑,甚至曾想到,这是外星人给我们发的电报。第一颗脉冲星曾被叫做“小绿人一号”。起初她以为,这是外星人“小绿人”发来的信号,但在接下来不到半年的时间里,又陆续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是一类新的天体,并把它命名为脉冲星。

由于脉冲星是在坍缩的超新星的残骸中发现的,它们有助于我们了解星体坍缩时发生的情况。还可通过对它们的研究,揭示宇宙诞生和演变的奥秘。而且,随着时间的推移,脉冲星的行为方式,也会发生多种多样的变化。每颗脉冲星的周期并非恒定如一。我们能探测到的是中子星的旋转能——电磁辐射的来源。每当脉冲星发射电磁辐射后,它就会失去一部分旋转能,且转速下降。通过月复一月,年复一年地测量它们的旋转周期,我们可以精确地推断出,它们的转速降低了多少、在演变过程中能量损失了多少,甚至还能够推断出,在因转速太低而无法发光之前,它们还能生存多长时间。事实还证明,每颗脉冲星,都有与众不同之处。有些亮度极高;有些会发生星震,顷刻间使转速陡增;有些在双星轨道上,有伴星;还有数十颗脉冲星,转速较快,高达每秒钟一千次。每次新发现,都会带来一些新的、珍奇的资料,科学家可以利用这些资料帮助我们了解宇宙。

2.脉冲星的形成

脉冲的形成是由于脉冲的高速自转,其原理就像我们乘坐轮船在海里航行,看到过的灯塔一样。让我们设想,一座灯塔总是亮着,且在不停地有规则运动,灯塔每转一圈,由它窗口射出的灯光,就射到我们的船上一次。灯塔不断旋转,在我们看来,灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样,当它每自转一周,我们就接收到一次它辐射的电磁波,于是就形成一断一续的脉冲。因此,脉冲的这种现象,也就叫“灯塔效应”。脉冲的周期,其实就是脉冲星的自转周期。然而,灯塔的光只能从窗口射出来,是不是说脉冲星也只能从某个“窗口”射出来呢?事实正是这样,脉冲星就是中子星,而中子星与其他星体(如太阳)发光不一样,太阳表面到处发亮,中子星则不同,只有两个相对的小区域才能辐射出来,其他地方辐射是跑不出来的。即是说中子星表面只有两个亮斑,别处都是暗的,这是什么原因呢?原来,中子星本身存在着极大的磁场,强磁场把辐射封闭起来,使中子星的辐射只能沿着磁轴方向,从两个磁极区出来,这两磁极区就是中子星的“窗口”。中子星的辐射,从两个“窗口”出来后,在空中传播,形成两个圆锥形的辐射束。若地球刚好在这束辐射的方向上,我们就能接收到辐射,且每转一圈,这束辐射就扫过地球一次,也就形成我们接收到的有规则的脉冲信号。

实际上,脉冲星并非或明或暗。它们发射出恒定的能量流。这一能量汇聚成一束电磁粒子流,从星体的磁极,以光速喷射出来。中子星的磁轴,与旋转轴之间,成一定角度,这与在地球上,磁北和真北的地理位置,略有不同一样。星体旋转时,这一能量束就像灯塔的光束或救护车警灯一样,扫过太空。只有当此能量束直接照射到地球时,我们才能用射电望远镜探测到脉冲星。

即使脉冲星发出的光在可见光谱内,但由于它们实在太小,离我们又很远,所以我们无法探测到这种可见光。我们只能用射电望远镜,探测它们发射出的强大的高频射电能量。

灯塔模型,是现在最为流行的脉冲星模型。另一种磁场震荡模型,还没有被普遍接受。

脉冲星是高速自转的中子星,但并不是所有的中子星,都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时,我们就接收不到脉冲信号,此时中子星就不表现为脉冲星了。

3.脉冲星的基本特征

1968年有人提出,脉冲星是快速旋转的中子星。中子星具有强磁场,运动的带电粒子发出同步辐射,形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合,每当射电波束扫过地球时,就接收到一个脉冲。

在演化末期,恒星缺乏继续燃烧所需要的核反应原料,内部辐射压降低,由于其自身的引力作用,逐渐坍缩。质量不够大(约数倍太阳质量)的恒星坍缩后,依靠电子的简并压与引力相抗衡,成为白矮星,而在质量比这还大的恒星里面,电子被压入原子核,形成中子,这时候恒星依靠中子的简并压与引力保持平衡,这就是中子星。典型中子星的半径,只有几千米到十几千米,质量却在1~2倍太阳的质量,因此其密度,可以达到每立方厘米上亿吨。由于恒星在坍缩的时候,角动量守恒,坍缩成半径很小的中子星后,自转速度往往非常快。又因为恒星磁场的磁轴与自转轴通常不平行,有的夹角甚至达到90度,而电磁波只能从磁极的位置发射出来,形成圆锥形的辐射区。

4.脉冲星的观测特点

我们知道,第一个脉冲星,是英国天文学家休伊什和贝尔,在1967年发现的。他们在3.7米的波长上,发现来自狐狸座的、具有极短周期的射电脉冲信号,脉冲周期是1.337秒。不久,又陆续在其他天区,发现好几个这种快速脉冲的射电源,后来称为脉冲星。到1978年,发现的脉冲星已有300多个。脉冲星的一般符号是PSR。例如,第一个脉冲星就记为PSR1919 21.1919表示这个脉冲星的赤经,是19小时19分; 21表示脉冲星的赤纬,是北纬21.

脉冲星的观测具有以下几个特点:周期性地发射短促的脉冲辐射;脉冲周期很短。周期最短的为0.03秒,最长的为4.3秒,周期通常有非常缓慢的变长现象。大约每年增长百万分之一秒到千亿分之一秒;脉冲辐射多呈单峰或双峰形状,有的甚至多到五个峰。每个脉冲星的个别脉冲,在脉冲形状和强度上会有变化,但几百个脉冲累加得到的平均脉冲轮廓(在脉冲期间,辐射能量随时间的变化曲线)是稳定的。每个脉冲星有它特有的平均脉冲轮廓;脉冲辐射持续时间,约为周期的百分之一到十分之几;脉冲辐射,是高度的线偏振或椭圆偏振。偏振度和偏振矢量的方向,在脉冲期间通常是变化的;绝大多数脉冲星,只是在射电波段发出辐射。射电波段的频谱分布一般呈简单的幂律谱,也有呈现为二段幂律谱合成的频谱。频谱指数,通常是在1~3的范围;脉冲星的个别脉冲,会出现规则的向前或向后的漂移现象,有些脉冲星有时会呈现短缺脉冲现象;别脉冲星,有周期突然变化的现象。例如,近年来PSR0833-45的脉冲周期,发生过三次突然变化(见脉冲星自转突快);发现的脉冲星,是银河系内的天体,其距离在100秒差距到2万秒差距。大多分布在银道面两旁,有向银道面聚集的倾向。

现在已普遍认为,脉冲星是有很强磁场的快速自转着的中子星。脉冲周期,对应于自转周期。脉冲星辐射的能量,是靠消耗它自身的自转能而来的。随着脉冲星不断地辐射能量,它的自转逐渐变慢,这就是脉冲星周期缓慢变长的原因。利用脉冲星的周期变率的观测值,可以计算脉冲星的能量损失速率。脉冲星上的能量转化过程是十分复杂的,自转能首先转变为低频的磁偶极辐射(在脉冲星诞生的早期还有引力波),然后再转化为高能粒子的能量和电磁辐射的能量,目前,关于这种能量转化的机制,还不十分清楚。观测表明,电磁辐射具有高度的方向性,就像灯塔光束一样,使得脉冲星自转一周,就能给出对应的脉冲图样。

最著名的一颗脉冲星,是蟹状星云的中心星PSR0531 21(或NP0532),它的周期是0.0331秒,是目前已知脉冲星中周期最短的。它在射电、红外线、可见光、X射线等波段,都发出脉冲辐射。它的目视等是17等,距离约6300光年。蟹状星云的中心星,据说是中国宋代记录的超新星(1054年金牛座“客星”)爆发后的残骸,蟹状星云是超新星爆发时,抛出壳层的遗迹。脉冲星的年龄,与由蟹状星云大小推算出的年龄相吻合,脉冲星能量损失与蟹状星云辐射能量的自洽,都有力地证实了这一点。

脉冲星的发现,并被证明为中子星,是天体物理学和物理学的一项重大成就。这证实了三十多年前,在理论上预言的、一种新型的、由超密态物质组成的恒星的存在。因此,脉冲星的发现被誉为二十世纪六十年代天文学的四大发现(脉冲星、类星体、微波背景辐射、星际分子)之一,是1974年年度诺贝尔奖金的获奖项目。

5.毫秒脉冲星

秒脉冲星是每秒旋转上百次的脉冲星,通常有一颗正常的伴星,并从伴星中得到物质。毫秒脉冲星,曾经被称为“反覆脉冲星”,是自转周期在1~10毫秒范围内的脉冲星,目前仅能在微波或X射线的电磁波频谱的波段上被观察到。

毫秒脉冲星的起源,依然有些神秘,主导的理论认为,它们原本是周期较长的脉冲星,经由吸积的延长或回复。基于这个理由,低质量X射线双星系特别受到关注,它们被认为是正在回复过程中的脉冲星。像这一类散发出X射线的脉冲星,被认为是正在被加速的阶段,活跃性正在增加中。它们可能是正在吸收由伴星的洛希瓣溢出的角动量,使自转的速度增加至每秒钟数百转,而被加速的中子星。已经被加速了的毫秒脉冲星,散发出的电磁波频谱是在长波长的部分。

许多毫秒脉冲星,是在球状星团内被发现的,因为在这些系统内极端高的恒星密度,有利于创造能引起双星之间质量交换的环境,让自转的中子星,经由交互作用提高周期,成为毫秒脉冲星。目前,在球状星团内发现的毫秒脉冲星大约有130颗,单单在Terzan中就有33颗,然后是杜鹃座47有22颗,M28和M15各有8颗。

第一颗毫秒脉冲星,PSRB1937 21,在1982年被发现,转速为每秒641转,它的辐射落在无线电的波段上,但他拥有转速最快中子星的头衔,只有大约180天。在2005年发现的PSRJ1748-2446ad,是迄今(2006年)所知,转速最快的中子星,每秒能转716次。

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