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脈衝星,是高速自轉著的中子星,由富含中子的物質組成,體積非常微小,密度非常大。它不斷發射出非常有規律的無線電脈衝,是恆星在生命演化的末期發生超新星爆炸而成。可以說脈衝星就像是宇宙中的燈塔。

1 脈衝星 -概述

脈衝星蟹狀星雲脈衝星的X射線/可見光波段合成圖像

脈衝星(Pulsar),又稱波霎,是中子星的一種,為會周期性發射脈衝信號的星體。

中子星是一種幾乎整體均由中子組成的極端緻密的恆星,其直徑僅20公里,甚至更小些。當超新星激烈爆發后,其內核向內坍縮,即形成為中子星。恆星表面處的中子衰變成質子和電子,這些荷電粒子從恆星表面釋放出來,即進入環繞恆星並隨恆星自轉的強磁場之中。這些粒子被加速到接近光速,便產生稱為同步加速輻射的電磁輻射。這種輻射從脈衝星的磁極處以強射束形式被釋放出去。磁極並不和自轉極吻合一致,因此,脈衝星的自轉致使射束旋轉擺動。每當脈衝星自轉一周,射束便會有規則地掃過地球,這時地面望遠鏡即可檢測出一系列間斷的脈衝。

迄今已觀測到的最慢的脈衝星的周期間隔為4秒,而1982年發現的最快的脈衝星的周期是0.00155秒,即1.55毫秒,比已知的任何一個脈衝星的周期都短了許多。這個毫秒脈衝星每秒自旋642圈,已經接近脈衝星自旋速度的極限。因為一個中子星只要自旋速度為此速度的4倍,就會作為其赤道帶離心力造成的結果而飛散崩潰,哪怕其引力十分強大,可使其逃逸速度達到光速的一半。精確的射電脈衝星計時錶明,它們的自轉正在很緩慢地減速,其典型速率是每年減慢一百萬分之一秒。根據一個脈衝星速度變化,可以計算出它的年齡。

脈衝星脈衝星即高速自轉著的中子星-模型圖


2 脈衝星 -發現

脈衝星脈衝星
1967年10月,劍橋大學 卡文迪許實驗室(Cavendish Laboratory)的安東尼·休伊什(Antony Hewish)教授的研究生——24歲的喬絲琳·貝爾(Jocelyn Bell Burnell)檢測射電望遠鏡收到的信號時無意中發現了一些有規律的脈衝信號,它們的周期十分穩定,為1.337秒。起初她以為這是外星人「小綠人」(LGM)發來的信號,但在接下來不到半年的時間裡,又陸陸續續發現了數個這樣的脈衝信號。後來人們確認這是一類新的天體,並把它命名為「脈衝星」。

脈衝星與類星體 、宇宙微波背景輻射、星際有機分子一道,並稱為20世紀60年代天文學「四大發現」。安東尼·休伊什 教授本人也因脈衝星的發現而榮獲1974年的諾貝爾物理學獎,儘管人們對貝爾小姐未能獲獎而頗有微詞。

經過幾位天文學家一年的努力,終於證實,脈衝星就是正在快速自轉的中子星 。而且正是由於它的快速自轉而發出射電脈衝。蟹狀星雲脈衝星的X射線/可見光波段合成圖像正如地球有磁場 一樣,恆星也有磁場;也正如地球在自轉一樣,恆星也都在自轉著;還跟地球一樣,恆星的磁場方向不一定跟自轉軸在同一直線上。這樣,每當恆星自轉一周,它的磁場就會在空間劃一個圓,而且可能掃過地球一次。但如果要發出像脈衝星那樣的射電信號,需要很強的磁場。而只有體積越小、質量越大的恆星,它的磁場才越強。而中子星正是這樣高密度的恆星。

另一方面,當恆星體積越大、質量越大,它的自轉周期就越長。我們很熟悉的地球自轉一周要二十四小時。而脈衝星的自轉周期竟然小到0.0014秒!要達到這個速度,連白矮星都不行。這同樣說明,只有高速旋轉的中子星,才可能扮演脈衝星的角色。

脈衝星白矮星-內部結構模型圖

3 脈衝星 -命名規則

脈衝星的命名由脈衝星英文pulsar的縮寫PSR加上其赤經赤緯坐標組成。如PSR B1937+21,1937是指該脈衝星位於赤經19 h 37 m,+21是指其位於赤緯+21°,B意味著赤經赤緯值是歸算到曆元1950年的值。此外,J則表示赤經赤緯值是歸算到曆元2000年的值。

4 脈衝星 -主要特徵

脈衝星脈衝星

1、地球每24小時自轉一次,而大多數脈衝星每秒鐘就能自轉一次或多次,它們的自轉速度比太陽系中轉速最快的木星還快10萬倍。而且奇妙的是,這種自轉變化非常微小,如毫秒脈衝星每年減慢不到1/108 秒。因此它被認為是宇宙中最好的計時工具,例如一顆編號為PSRJ1909-3704的脈衝星,它像高速陀螺一樣地旋轉,每秒鐘轉動339周,非常有規律,幾乎沒有誤差,所以它成為迄今為止所發現的最為準確的「天體物理學時鐘」。除此之外,它有著難以想象的體積、密度、溫度、壓強、引力和磁場強度等。

2、體積小、密度極大:脈衝星是由中子密集在一起的超高密度星體,所以體積一般很小,絕大多數的脈衝星半徑往往僅有10公里左右,這個半徑僅僅是地球半徑的千分之一多一點。形象地說,一個地球可以容納下2.6億顆脈衝星,而太陽可以容納下130萬個地球。但是脈衝星的質量卻是太陽質量的1.5—2.5倍,所以它的密度極高,1立方厘米就有10億噸。

3、溫度極高、壓強極大:太陽系中,溫度最高的星球是太陽,它的表面溫度為6000度,中心溫度達1500萬度。脈衝星的表面溫度可達1000萬度,是太陽表面溫度的2000倍,而其中心溫度竟高達60億度。脈衝星由於本身的重力非常大,連電子在原子核外面也撐不住內縮的壓力,被壓縮到原子核中,與質子結合成中子。因為脈衝星的密度非常大,所以它們的壓力也大得令常人無法想象,在這個高壓世界中,中心壓力可達1萬億億大氣壓,比太陽高3億億倍。

4、強引力作用:脈衝星是處於演化後期的恆星,是在老年恆星的中心形成的,而能夠形成脈衝星的恆星,其質量一般較大。據科學家計算,當老年恆星的質量大於十個太陽的質量時,它就有可能最後變為一顆脈衝星,而質量小於十個太陽的恆星往往只能變化為一顆白矮星。儘管脈衝星只相當於地球體積的一小部分,但他的引力場卻強過地球的10億倍。

5、強磁場:地球有磁場,大約為0.6高斯。太陽有磁場,其普遍磁場大約為幾高斯,黑子區域的磁場比較強,可達幾千高斯。有些磁場比較強的恆星,可達幾千到幾萬高斯。在地球上的實驗室里能製造出磁場的最高紀錄是1千萬高斯(1高斯=10-4特斯拉)。那麼中子星的磁場情況怎麼樣呢,大多數脈衝星具有約1012高斯的磁場,它是地球的1000億倍,是太陽磁場強度的1億倍到100億倍。

5 脈衝星 -內部狀況

脈衝星速度最快的脈衝星

脈衝星4%的能量損失是由重力波噴射造成的。這項期待已久的研究分析具有里程碑意義,這是科學家第一次直接探測到脈衝星內部狀況。

脈衝星是快速旋轉的中子星,螃蟹雲翳距離地球6500光年,位於金牛星座,形成於1054年的一次壯觀超新星爆炸。每年有3個星期的時間在白天中可觀測它的存在,同時在夜晚會暫時比滿月更明亮一些。中國古代書籍中曾提及螃蟹雲翳作為「寄宿恆星(guest star)」。目前,在螃蟹雲翳中心位置殘留著以難以置信速度旋轉的中子星,每當它旋轉一周時,會釋放兩道窄射電波射向地球。這種像燈塔似的釋放射電脈衝的中子星也被命名為「脈衝星」。

僅10公里半徑的脈衝星卻比太陽的質量更大,差不多這個球形結構都是由中子構成。重力波在空間和時空結構中產生波動,這是愛因斯坦廣義相對論的一個重要推論。重力波噴射是螃蟹雲翳中脈衝星能量損失的物理機制假想之一,它的出現伴隨著脈衝星旋轉速度逐漸減緩。邁克爾·蘭德瑞說,「我們的研究分析結果顯示不超過4%的脈衝星能量損失是由於重力波輻射造成的,其他的能量損失是由於其他物理機製造成的,比如:脈衝星快速旋轉磁場和進入該雲翳的高速率粒子噴射共同作用形成的電磁輻射。」

科學家稱這項研究非常重要,它提供了脈衝星和其結構的信息。如果一個完全平滑的脈衝星旋轉時是不會產生重力波的,LIGO之所以探測到螃蟹雲翳中的脈衝星產生重力波,是由於該脈衝星外形殘缺幾米,並不是十分的光滑球體形狀。通常這種殘缺現象出現在年輕的脈衝星上,比如:螃蟹雲翳中的脈衝星,其外殼仍是半固體狀態;或者是具有巨大磁場的脈衝星。

賓夕法尼亞州物理學家本·歐文稱,LIGO讓我們更深了解到脈衝星表面之下實質性狀態,天文學家看到螃蟹脈衝星內部大量的電磁波(射電波、X射線等),但是脈衝星非常密集,甚至X射線不能抵達其內部,僅能到達脈衝星表面。但是重力波可以抵達脈衝星內部,這是科學家首次直接觀測脈衝星內部。

6 脈衝星 -觀測特點

脈衝星脈衝星輻射束示意圖.

1、周期性地發射短促的脈衝輻射。

2、脈衝周期很短。周期最短的為0.03秒,最長的為4.3秒,周期通常有非常緩慢的變長現象。大約每年增長百萬分之一秒到千億分之一秒。

3、脈衝輻射多呈單峰或雙峰形狀,有的甚至多到五個峰。每個脈衝星的個別脈衝在脈衝形狀和強度上會有變化,但幾百個脈衝累加得到的平均脈衝輪廓(在脈衝期間輻射能量隨時間的變化曲線)是穩定的。每個脈衝星有它特有的平均脈衝輪廓。附圖分別繪出脈衝星 PSR0833-45、 PSR1133+16、PSR2045-16和PSR0525+21的平均脈衝輪廓。

4、脈衝輻射持續時間約為周期的百分之一到十分之幾。

5、脈衝輻射是高度的線偏振或橢圓偏振。偏振度和偏振矢量的方向在脈衝期間通常是變化的。

6、絕大多數脈衝星只是在射電波段發出輻射。在射電波段的頻譜分佈一般呈簡單的冪律譜,也有呈現為二段冪律譜合成的頻譜。頻譜指數通常是在3~1的範圍。

7、有些脈衝星的個別脈衝會出現規則的向前或向後的漂移現象,有些脈衝星有時會呈現短缺脈衝現象。

8、個別脈衝星會有周期突然變化的現象。例如,近年來PSR0833-45的脈衝周期發生過三次突然變化(見脈衝星自轉突快),PSR0531+21也有類似現象。

9、已發現的脈衝星都是銀河系內的天體,其距離在100秒差距到2萬秒差距之間。大多分佈在銀道面兩旁,有向銀道面聚集的傾向。

7 脈衝星 -與中子星

脈衝星蟹狀星雲中心的脈衝星(右圖中心的小白點)

早在1932年,英國物理學家查德威克發現了中子之後不久,前蘇聯著名物理學家郎道就大膽提出預言:在宇宙中可能存在基本上由中子組成的星體,稱之為中子星。不久,又有天文學家提出超新星爆發可以產生中子星,甚至指出在蟹狀星雲中有一顆中子星。他們的研究指出,在恆星的核燃料耗盡以後,恆星中心部分的坍縮引起超新星爆發時,向中心坍縮的質量超過1.4太陽質量,而又小於2.0個太陽質量時,自由電子的壓力不能抵抗強大的引力而繼續坍縮,導致原子核破裂,電子和質子作用變成中子,形成中子的海洋,最後因為中子所產生的壓力可以抵抗引力而使坍縮停止,從而形成穩定的中子星。

1967年,英國劍橋大學的休伊什和他的研究生喬絲琳•貝爾小姐在研究射電源的行星際閃爍時偶然發現了一個來自宇宙空間的周期為1.33730秒的射電脈衝信號,後來把發出這類信號的這類天體稱為脈衝星。

1982年發現毫秒脈衝星,周期非常短,僅有1.56毫秒。脈衝星的周期是自轉引起的,周期1.56毫秒表明每秒鐘要自轉600多圈,比陀螺還快得多。只有中子星才可能轉得這麼快,科學家確認脈衝星就是中子星。

脈衝星的周期特別穩定,特別準確,可以和地球上的原子鐘媲美。在日常生活中都需要鐘錶,我們不會因為一天之中鐘錶快了或慢了幾秒鐘而傷腦筋。但是在一些尖端科學中,如發射人造衛星就是差千分之一秒也不行。發明了原子鐘以後,時間就準確得多了,精度達到了幾萬年才有1秒的誤差。毫秒脈衝星周期的長期穩定度達到10-14,可以和原子鐘媲美,成為掛在天上的「標準鍾」。

中子星的密度之大是驚人的。太陽的密度為1.41克/厘米3,而白矮星可達106克/厘米3,中子星則為1014克/厘米3。我們地球的密度為5.5克/厘米3。在地球上,我們都有體會,金屬的密度很大,因此很重。一杯水銀足有3公斤重。在地球上稱1立方厘米的白矮星物質,足有200噸重,中子星的密度大得更是驚人,1立方厘米的中子星物質有一億噸重,萬噸巨輪也休想拖動它。

8 脈衝星 -著名脈衝星

脈衝星兩顆旋轉的脈衝星

1、毫秒脈衝星:20世紀80年代,由發現了一類所謂的毫秒脈衝星,它們的周期太短了,只有毫秒量級,之前的儀器雖然能探測到,但是很難將脈衝分辨出來。研究發現毫秒脈衝星並不年輕,這就對傳統的「周期越短越年輕」的理論提出了挑戰。進一步的研究發現毫秒脈衝星與密近雙星有關。

2、人類發現的第一顆脈衝星:PSR1919+21,也就是上文貝爾小姐發現的那顆脈衝星,位於狐狸座方向,周期為1.33730119227秒。

3、人類發現的第一顆脈衝雙星:PSR B1913+16

4、人類發現的第一顆毫秒脈衝星:PSR B1913+16

5、人類發現的第一顆帶有行星系統的脈衝星:PSR B1257+12

6、人類發現的第一顆雙脈衝星系統:PSRJ0737-3039

7、天文學家發現軌道周期最短的毫秒脈衝星:這顆名為PSR J1311-3430的脈衝星每秒旋轉390次。它處在一個雙星系統中,伴星直徑約為木星的60%,但質量卻達到木星的8倍多。這顆脈衝星與伴星距離約為52萬公里,是地球和月球距離的約1.4倍,也是目前已知距離最近的雙星系統。

9 脈衝星 -脈衝雙星

1974年,美國的赫爾斯和泰勒發現了第一顆射電脈衝雙星PSR1913+16,它們是兩顆互相環繞的脈衝星,軌道周期很短,僅為7.75小時。軌道的偏心率為0.617。當兩顆子星相互靠得很近時,極強的引力輻射會導致它們的距離愈加靠近,軌道周期會逐漸變短。通過精確地測量射電脈衝雙星軌道周期的變化可以檢測引力波的存在,驗證廣義相對論。赫爾斯和泰勒也因此獲得1993年的諾貝爾物理學獎。

2003年4月,研究人員發現PSRJ0737-3039A的周期為22毫秒,並且在有規律地變化。人們認為這是一個罕見的雙脈衝星系統,兩顆子星都是脈衝星,並且輻射束都掃過地球。觀測顯示,這對雙脈衝星系統的A星是一顆1.337太陽質量的毫秒脈衝星,周期22毫秒,B星是一顆1.251太陽質量的正常脈衝星,周期2.27秒。兩顆子星相互環繞的軌道周期僅為2.4小時,軌道偏心率為0.088,平均速度達到0.1%光速。這個雙脈衝星系統的發現為檢測引力波的存在帶來了新的希望。

10 脈衝星 -重要意義

脈衝星脈衝星

由於脈衝星是在蹋縮的超新星的殘骸中發現的,它們有助於我們了解星體蹋縮時發生了什麼情況。還可通過對它們的研究揭示宇宙誕生和演變的奧秘。而且隨著時間的推移,脈衝星的行為方式也會發生多種多樣的變化。

每顆脈衝星的周期並非恆定如一,我們能探測到的是中子星的旋轉能(電磁輻射的來源),每當脈衝星發射電磁輻射后,它就會失去一部分旋轉能,且轉速下降。通過月復一月,年復一年地測量它們的旋轉周期,我們可以精確地推斷出它們的轉速降低了多少、在演變過程中能量損失了多少,甚至還能夠推斷出在因轉速太低而無法發光之前,它們還能生存多長時間。

每顆脈衝星都有與眾不同之處。有些亮度極高;有些會發生星震,頃刻間使轉速陡增;有些在雙星軌道上有伴星;還有數十顆脈衝星轉速奇快(高達每秒鐘一千次)。每次新發現都會帶來一些新的、珍奇的資料,科學家可以利用這些資料幫助人類了解宇宙。

脈衝星是20世紀60年代天文學的四大發現之一。在不到20年的時間,發現者接連兩次獲得諾貝爾物理學獎,引起了全世界的轟動。休伊什因發現脈衝星而獲得1974年度諾貝爾物理學獎;此後,哈爾斯和泰勒對新發現的雙脈衝星系統觀測為愛因斯坦的廣義相對論和引力波理論提供迄今為止最嚴格的檢驗,從而獲得1993年的諾貝爾物理學獎。

因此脈衝星對天體物理學的研究具有極大的意義,脈衝星的這些不可思議的特徵為現在物理學特別是高能物理和宇宙學提供了一個天然的平台,它為人類研究宇宙的起源、演化和變遷提供了一把天然的鑰匙。隨著科學技術的迅速發展,相信在不久的將來,人類對脈衝星的認識將更進一步,從中了解更多的秘密,為揭開宇宙神秘的面紗提供更多的有用信息。

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