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第14章 脉冲星

起初,人们认为恒星是永远不变的。而大多数恒星的变化过程是如此的漫长,人们也根本觉察不到。然而,并不是所有的恒星都那么平静。后来人们发现,有些恒星也是变化多端的。于是,人们就给那些喜欢变化的恒星起了个专门的名字,叫“变星”。

脉冲星,就是变星的一种。脉冲星是在1967年首次被发现的。1967年,英国剑桥大学建成了一座规模很大的射电望远镜天线阵(占地近2公顷),当年7月开始观测星空。初期的观测者天文学家休伊什的女研究生乔斯琳·贝尔是一位极其细心的人。有一天,她在记录纸上发现有一段波形很特殊,她就将它放大来研究,发现它是一组间隔很小的脉冲讯号,每两个脉冲的间隔都是11/3秒。后来的观测证明,这种脉冲讯号极其稳定,它来自狐狸座方向。开始时,人们曾经猜测这是一种地球以外的高智慧的“人”发射来的无线电讯号。而这种地外“人”能通过自己皮肤直接进行光合作用,因而他们的皮肤是绿色的,被称为“小绿人”。

但是,如果脉冲讯号果真是“小绿人”发出的,这“小绿人”应当居住在某个行星上,行星在围绕它自己的“太阳”旋转时,应该引起脉冲间隔时间的变化,但实际上没有观测到这种变化。到1968年1月底,贝尔还发现另外3个地方也发来脉冲讯号。这就怪了,要是真的有外星人,那么天上相距很远的4个地方的外星人怎么能约好在同一段时间里,用同一波段来打“电报”呢?因此,需要抛开外星人的设想,再从物理上考虑脉冲讯号的问题。

人们想到了20世纪40年代有几个物理学家(如朗道、巴德、奥本海默)曾经提出,宇宙间可能存在由中子组成的“中子星”,中子星的直径只有10千米~20千米。质量一般不会超过太阳质量的2倍,这个值被称为奥本海默极限。当时没有更多的人去注意这个科学预言,但现在终于找到了答案。原来,高度稳定、短间隔的脉冲是由自转很快的中子星发出的。

经过几位天文学家一年的努力,终于证实,脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且,正是由于它的快速自转才发出射电脉冲。

正如地球一样,恒星也有磁场和自转;还跟地球一样,恒星的磁场方向不一定跟自转轴在同一直线上。这样,每当恒星自转一周,它的磁场就会在空间划一个圆,而且可能扫过地球一次。

当然不是所有恒星都能发脉冲。要发出像脉冲星那样的射电信号,需要很强的磁场。而只有体积越小、质量越大的恒星,它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星。

另一方面,当恒星体积越大、质量越大,它的自转周期就越长。我们很熟悉的地球自转一周要24小时,而脉冲星的自转周期竟然小于1秒!要达到这个速度,连白矮星都不行。这同样说明,只有高速旋转的中子星,才可能扮演脉冲星的角色。

这个结论一经发表,立即引起了巨大的轰动。因为虽然早在20世纪30年代,中子星就作为假说而被提了出来,但是一直没有得到证实,人们也不曾观测到中子星的存在。而且因为理论预言的中子星密度大得超出了人们的想象,在当时,人们还普遍对这个假说抱怀疑的态度。

直到脉冲星被发现后,经过计算,它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样,中子星才真正由假说成为事实。这真是20世纪天文学上的一件大事。因此,脉冲星的发现,被称为20世纪60年代的四大天文学重要发现之一。

现今已发现有500多颗脉冲星,它们的脉冲周期有的短到0.0015578秒,有的长达4.3秒。观测说明,这周期就是中子星的自转周期。如果是别的天体,是不可能旋转这么快的。否则,这么高速度旋转起来,这个天体就散开了。中子星是高密度的小天体,密度高达1018克/立方厘米,所以能高速旋转而不瓦解。

中子星为什么会发射有规律的无线电波呢?通常是用“灯塔效应”来解释的。在大海边上的灯塔以强大的光束扫过夜空,从远方看来是一闪一闪的光。中子星具有强大的磁场,磁场强度可达108特斯拉。电子沿磁力线作螺旋状运动时,就会辐射电磁波(即“同步加速辐射”)。如果磁轴与中子星的自转轴不重合,那么磁极就会绕自转轴旋转着,由磁极辐射的电磁波,就像旋转的灯塔一样扫过空间。当它扫过我们的射电望远镜时,就形成一个脉冲信号。中子星旋转一周,它的电磁波束也在空中扫一圈,我们就周期性地得到一次次脉冲信号。所以射电脉冲的周期就是中子星的自转周期。

脉冲星也是恒星演化到晚期的产物之一,是质量比4个太阳质量更大的恒星,后期会发生超新星爆发。爆发与引力相结合,有向外与向内的作用。向外的是物质抛射成为星云,向内的巨大压力会把核心物质压缩得更为密实。理论上证明了,在巨大压力下,电子都被挤压到与质子相结合,成为中子简并态,密度达到1015克/立方厘米以上。由这种物质构成的天体就是中子星。1968年在蟹状星云(超新星爆发的遗迹)中找到了一颗脉冲星,证明了中子星的确是超新星爆发后形成的。

中子星内部不会有新能源,它的辐射能量必然只能从积存的转动能量来支付,因此它的自转会愈来愈慢,即周期在逐渐延长。近年来的精密观测证实了这一点(例如蟹状星云中子星大约在10万年变慢1秒钟)。

我国学者对中子星做了不少理论研究,认为中子星还可能有更精细的结构。

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