第八章现天课脉冲星

类星体 1963年，20世纪60年代四大发现之一。它们具有像恒星那样 小的角径（小于1角秒），但不是恒星。有很大的红移，类星 体是迄今为止天文学家所知道的距离最遥远、能量最大的天体。 剑桥大学的闪烁望远镜 1965年，剑桥大学射电天文台决定采用行星际闪烁技术大规 模地确认类星体。研制专门用于行星际闪烁的大型射电望远镜。 足够大的天线面积：长470米宽45米宽的矩形天线阵，由16排， 每排128个振子天线共2048个振子组成。 3.7米的波长： 闪烁比较强；望远镜造价低，制造容易。 时间分辨率达到0.1秒。 天线固定不动。
确认发现脉冲星 如果是来自太阳系外行星上的人为信号，这个脉冲信号 中必然附加了行星轨道运动所产生的多普勒位移。他们经过 一系列的实验，没有测出这种位移，从而否定了小绿人的看 法。 休伊什利用精确的时标，在改正地球轨道运动的影响之 后，惊讶地发现脉冲周期可以精确到千万分之一秒。测出的 周期是1.3372795秒。终于确认脉冲信号是来自一种新型的 天体――脉冲星的辐射。当时取名为CP1919，CP为剑桥大 学，1919是脉冲星的赤经。 贝尔再立功 她又从过去多达5000米记录纸所记录下的资料中，又找 到3个脉冲星。其中一颗名叫PSR0950＋08的脉冲周期仅0.25 秒。 作为脉冲星的最先发现者，贝尔的功绩是不可磨灭的。
地外文明是严肃的科学问题 地外文明是人们长期以来津津乐道的话题，大量的有关外 星人的科幻电影和小说，把地外文明炒得沸沸扬扬。 地球之外是否有生命？是一个严肃的科学问题、哲学问题， 一个需要思考和探索的问题。 地外文明社会知多少？ 太阳系的地球是生命的摇篮，在宇宙空间有多少像太阳一样 的单个恒星的行星系统？有多少像地球一样，有水，空气和适 当的温度的行星？
确认为快速自转的中子星 前2种都不可能，因为不能解释周期缓慢地增加的现象。 中子星的自转可能到达这样短的周期，而白矮星则只能达到 秒的数量级。 自转机制的限制：在赤道上的线速度不能太大，如果离心力 大于引力，赤道上的位置就要脱离中子星，中子星就不能存 在了。白矮星的半径比中子星约大600倍，因此所能达到的 自转角速度要比中子星的小很多。所以只有中子星的自转能 解释观测到的脉冲星周期现象。 为什么中子星的辐射是周期脉冲信号？ 自转周期可以达到毫秒～秒，但辐射和自转有什么关系？ 中子星有很强的偶极磁场，辐射只能从磁极区出来，就 像灯塔一样只射出两束光。自转一次，脉冲星的辐射扫过 观测者一次，形成一个脉冲。
脉冲星三大发现 1967年贝尔和休伊什发现 1974年赫尔斯和泰勒发现 1982年贝克和库尔卡尼发现
脉冲星 脉冲星双星系统 毫秒脉冲星
师生合作的典范 脉冲星的发现 贝尔（博士生） 休伊什教授 脉冲双星的发现 赫尔斯（博士生） 泰勒教授 毫秒脉冲星的发现 库尔卡尼（博士生） 贝克教授
1，中子的发现和中子星的预言 中子的发现 直到1930年，物理学家还不知道原子核中有中子存在。中子 发现的意义远远超出原子物理学的范围，很快就向天体物理 学提出挑战：在宇宙中有没有“完全由中子组成的恒星？” 一个在物理学实验室中微观世界实验的进展，马上向宏观世 界的恒星世界提出挑战。 中子星的预言 1931年当物理学家朗道知道中子发现后，仅过了几个小时 就提出中子星的概念。他指出，中子星非常小，非常致密， 辐射非常微弱。 1934年兹维基和巴德各自提出“中子星是大质量恒星演化到 超新星爆发之后的产物。恒星坍缩后，在其核心形成中子星。” 1939年中子星的内部结构理论：一个太阳质量，半径为10公 里，密度达到 1014 g / cm3
因“错”立功 丢失贝尔申请书的帕尔默辩解说，“要不是我把她的申请信丢 了，那脉冲星到现在还没有发现呢！”乔斯林· 贝尔如果不是 参与当时最高水平的行星际闪烁的观测研究的实践，也是无 缘发现脉冲星的。
人类发现的第一个脉冲星的信号纪录
时间（秒）
第一批发现的4颗脉冲星之一（ PSR0329＋54） 的脉冲、光学、X和γ射线辐射。把蟹状星云所 有频率上的辐射加起来，相当于十万个太阳的辐射。一团稀薄 的气体，其能量来自何方？ 光学观测发现蟹状星云在膨胀，每年大约0.2角秒左右， 而且膨胀速度在加快。星云膨胀加速度的能量由谁来提供？ 同步辐射：高能带电粒子在磁场中运动产生的辐射，高能 电子来自何方？磁场是怎样形成的？
周期缓慢的变化 脉冲星周期随时间十分缓慢地增加，变化率非常之小：
10
－13
～10
－20
s/s
周期变化最快的脉冲星需要经过10年的时间，其周期才增 加1毫秒。变化最慢的脉冲星则需要年才增加1毫秒。除了 脉冲星周期缓慢增加的变化外，还有周期噪音和周期突然 变短两种形式的变化。 脉冲星的周期是怎么来的？ 脉冲星的周期为什么这么短？这么稳定？还要缓慢地变长？ 天文上周期性现象是常见的，但都没有这样短。三种可能 性，来自白矮星或中子星的： 1，双星的轨道运动周期 2，径向脉动周期 3，自转
脉冲星的脉冲特性：
1，纪录到的每个 脉冲强度和形状变 化很大，图下部是 把每个周期的脉冲 依次往下排的脉冲 系列。 2，平均轮廓是把 几百～几万个脉冲 叠加起来后得到的 轮廓，这轮廓的形 状长期保持不变。
脉冲特性： 1，一个周期360度， 脉冲只占3％～10％ 2，脉冲轮廓形状长 期保持不变，如图 中的实线。 3，有的脉冲星的脉 冲轮廓有时会变为 另一种稳定形状 （图中虚线），但 时间不长 4，脉冲轮廓中显示 出多个成分，图中 显示5个成分。
3，“小绿人”和地外文明 “小绿人” 11月28日，贝尔成功地记录到这个信号的脉冲周期约为 1.33秒。任何已知天体的辐射都不会是这样的短周期脉冲。 休伊什提出可能是在太阳系外围绕恒星作轨道运动的行星上 的“小绿人”发出的信号。 10年后贝尔写道，“当时我不完全理解观测到的脉冲一定 是人工的。我所不知道（但本来应该知道）的是，这样快速 的变化是难从恒星、星系或当时知道的任何其它类型的天体 获得的。” 贝尔女士说： “ 当我在搞一项新技术以取得博士学位，可一帮傻呼呼的 小绿人却选择了我的天线和我的频率来同我们通讯”
2，脉冲星的发现 休伊什生平 休伊什1924年5月11日出生，中学毕业后进了剑桥大学， 一年之后，成为皇家飞机研究所的成员，不久调到电讯研究 所。战争期间，他参与机载反雷达设备的研究，指导空军人 员使用雷达干扰设备。 1946年第二次世界大战结束后休伊什回到剑桥继续学习， 1948年毕业后被推荐进入卡文迪什实验室工作。1952年获 博士学位后，在卡文迪什实验室成为赖尔的助手。
天文学家曾给出多个可能存在的文明社会的数学公式。阿西 莫夫公式： N=A×B×C×D×E×F×G×H×L×M N：可能存在的文明社会的数目 A：银河系中的恒星数 A＝3×1011个 B：拥有行星系统的恒星百分比 C：和太阳差不多的恒星百分比 D：适合生物生存条件的恒星的百分比 E：有类似地球的行星的百分比 L：可居住的天体中具有46亿年的历史 M：文明社会的寿命 计算结果： 银河系中拥有文明社会的数目为53万个，平均 100万个恒星中不到 2个。
帕齐尼预言（1967年） 蟹状星云中的一颗中子星，每秒自转多次，具有很强的磁 场，提供蟹状星云所需的能量。
蟹状星云
脉冲星
蟹状星云和其脉冲星的辐射谱
休伊什观测蟹状星云（1965年） 他用行星际闪烁方法测出了蟹状星云中存在一个致密成分， 其角径只有约0.2角秒，亮温度达到1014K。当时他就指出这 个致密成分可能是1054年超新星爆发的遗留物。可惜，他并 没有认识到这个致密源就是中子星。
贝尔发现不寻常“闪烁源” 67年8月，贝尔注意到一个发生在深夜的“闪烁源”。夜晚太 阳风很弱，强闪烁源是不会发生在夜晚的。 在排除了人为干扰和确认这个信号遵守恒星时以后，休伊什 认为可能是一颗来自太阳系之外的射电耀星。
1976年8月6日观测到的脉冲星信号纪录 确认是来自太阳系外的信号 对这个信号的监测发现，它遵守恒星时，而不是太阳时。确 认是来自太阳系外的信号。太阳日：太陽回到相對於地面同一位 置便是一天，例如由今天中午至明天的中午。 恆星日：恒星返回天空同一位置為一恆星日。 由於地球公轉的關係，一年中約有365個太陽日，366個恆星 日。一個太陽日比一個恆星日约长4分钟。
证认脉冲星是中子星的两位功臣 帕齐尼在1967年脉冲星发现前的论文：“在蟹状星云中存在 一个由中子组成的恒星，它每秒自转多次，有很强的磁场， 它的磁偶极辐射不断地给蟹状星云提供能量”。 1968年托马斯· 歌尔德（T. Gold）论文和帕齐尼的差不多， 但是在脉冲星发现之后做的，对观测特征解释得更清楚一些。 脉冲星磁极冠模型 综合他们的理论： 中子星具有非常强的磁场，在磁极冠区，带电粒子在磁场 中运动发出曲率辐射，形成一个方向性很强的辐射锥，就像灯 塔发出的两束光一样。辐射锥的中心是磁轴。一般地，磁轴和 中子星自转轴不重合，所以当辐射锥和中子星一起转动扫过地 球上的射电望远镜时，我们就接收到一个脉冲
什么是行星际闪烁？ 星星为什么向我们眨眼？地球大气对流层中空气密度的不 规则变化和扰动对光波的影响。 地球的电离层对无线电波的作用也会产生闪烁。太阳系行 星际空间充满着由太阳风所带来的密度不均匀的等离子体， 它们也会使射电波发生闪烁。 行星际闪烁的特点 行星际介质对射电波所产生的闪烁现象是快速的，在秒 的数量级。只有角径很小的射电源通过行星际空间才有闪烁 现象。
中子星在哪里呢？ 天文学家处于“一问三不知”的窘境，一是不知道中子星的 辐射主要在射电波段；二是不知道中子星的辐射是脉冲形式； 三是不知道中子星自转得是如此之快。 这不是天文学家的过错，天文学研究的魅力所在，就是 它常常出人意料。 中子星的光度特别小 光度是和恒星的表面积成正比，天狼星伴星的光度比天 狼星小1万倍，其表面积比天狼星小1万倍，半径约为7000千 米。中子星的半径10千米，按照同样的道理，如果天狼星B 是中子星，它的光度要比天狼星小多少倍？ 答案是几十亿倍。
4，脉冲星是高速自转的磁中子星 1968年2月，《自然》论文： 脉冲星是一种极为奇异的天体射电源，它在太阳系之外， 发射短暂而极有规律的无线电脉冲；它是某种密度非常大的星 体，很可能就是中子星。 休伊什根据中子星径向振荡理论来解释辐射的脉冲性质却 是不正确的。 脉冲星的观测特性 脉动的射电辐射而得名。周期很短1.5毫秒～8.5秒， 十分稳 定，可以和地球上的原子钟比美。