脉冲星

1脉冲星

科学是由理论和实验(对天文学来说是观测)来建立的，二者相互映照，时而这个领先，时而那个获胜。中子星是理论预言领先于观测发现的最美妙事例之一。

杰姆斯·查德威克(James Chadwick)爵士1932年在实验室里发现中于并获得1935年的诺贝尔奖。据说著名的俄国物理学家列夫·朗道(Lev Landau)和他的小组在发现中子后马上预测存在一种完全由中子组成的星，不幸的是，朗道没有立即发表自己的预测。两年后，两位密切注意粒子物理学发展的美国天体物理学家摘取了果实。由与白矮星类比而受到启发(拉尔夫·富勒提出白矮星是以电子简并压来支撑自身重量)，弗里兹·兹维基和瓦尔特·巴德建议，中子能产生一种简并压，并能支持质量超过钱德拉塞卡极限的恒星残骸。他们俩对1054年超新星的遗迹蟹状星云很有兴趣，星云中心有一个萎缩的天体，但不是白矮星。

第二次世界大战爆发前不久，罗伯特·奥本海默(Robert OPPenheimer，后来的原子弹之父)和沃尔科夫(G·V olkofD提出了一种严格意义上的中子星理论。他们特别证明，对于质量与太阳相当的恒星，简并中子的流体静力学平衡是可以实现的。

他们的工作被天文界客气地置之一旁。卡米尔·弗拉马里昂(Camme Nammaho…著名的《普通天文学》于1955年出版，在这本(首先激起我对天文学的热爱的)书中，仅有几行字提到兹维基的革命性理论，并说“这是些不可能由观测检验的含糊思想”。观测检验不得不再等待12年。

1.1空中灯塔

我在这儿搞一项新技术来拿博士学位，可一帮傻乎乎的小绿人却选择了我的天线和我的频率未同我们通讯。

——乔丝琳·贝尔(Jocelyn Bell) 1967年，剑桥大学一名年轻研究生乔丝琳·贝尔，从她的导师安托尼·休伊斯(Antnony Hewish)那里接受了一项任务，检查和改进用于测量遥远射电源辐射的

新射电望远镜。在用手工分析记录器打出来的几百米长的微米波图纸时，她的兴趣被一个精确地每隔l．刀730133秒出现一次的周期性信号所吸引。贝尔小姐偶然发现的，正是一颗发出射电脉冲的星：脉冲星。

很快又陆续发现了其他的脉冲星。1968年在蟹状星云和船帆座超新星遗迹里也找到了脉冲星。在好几个月里，极大的兴奋甚至扩散到了天文界以外，有人认为，按如此精确的间隔到达的空中信号只能是来自人工源，是由一种像科幻小说里的“小绿人”那样的外星人瞄准我们发出的。在还没有正式名称时，头一批脉冲星曾被幽默地称作小绿人一号、二号等等。这只是天文学家开的玩笑，却被大众传媒想象为与外星人接触而兴奋激昂。

与此同时，理论天体物理学家在严肃地思考。1968年弗兰科·帕齐尼(Franco Pacini)和托马斯·歌尔德(ThomasGold)提出，脉冲星是快速旋转的中子里，他们的基本思想如下：中子星有强磁场，在场中运动的带电粒子(电子和质子)发出同步辐射，形成一个与中子星一起转动的射电波束，于是随着星体的自转，每当射电束扫过射电望远镜天线时，地球上就收到一个脉冲(图对)。这种灯塔效应的发生是因为中子显的自转轴和磁轴不重合，而这是天文学中常见的现象。

这个简单而又完整的解释立即被接受，成为专家们采用的有效模型。安托尼·休伊斯由于他的射电望远镜设计而获得1974年诺贝尔奖一一而脉冲星的发现只是在乔丝琳·贝尔博士论文的一个附录里被提到！

1.2一类更极端的星

为什么脉冲星的旋转和磁场这么重要呢？

中子星是在质量足够大的恒星的核心坍缩时形成的。角动量守恒定律使最初很小的旋转速度放大到极高的值，这同冰上运动员收拢手臂来增加旋转速度是一样的道理。磁线就像是冻结在恒星物质上，与星体一起转动，当恒星坍缩时，磁场线被挤紧，磁场就增强。

事实上在许多方面，中子星就是白矮星的一种更极端化的变体。它的半径大约只有7公里，从白矮星到中子星的尺度缩减甚至比从太阳到白矮星的缩减还要厉害，而与从红巨星到太阳的缩减相当。中子星的平均密度每立方厘米可不是1吨，而是1亿吨。太阳绕自己的轴每25天旋转一周(它是较差转动，转动速度与纬度有关)，而中于星是作刚体转动，转～周还不到1秒钟(一般认为孤立自矮星要么转得很慢，要么根本不转)。磁场也是如此：太阳的磁场与地球的相似，约

为1高斯2白矮星的磁场可达1亿高斯；而对中子星来说磁场是集中在一个小了几十亿倍的表面上，因而高到1 亿高斯(实验室里人工能得到的最高磁场是

30万高斯，是由重量超过10吨的巨型电磁铁产生的)。正是这些极端的性质才使对中子星的探测成为可能。

中子星不可能在光谱的光学部分看到，因为它们的热光度虽然是由被加热到1000万度的表面发出，却由于表面积太小而极低。一个直径只有30公里的物体不可能在见光年以外的距离上被看到，而恒星之间的平均距离还远大于此。不过还是有少数脉冲星的光学辐射被探测到了，其中包括蟹状星云和船帆座的脉冲星。光学脉冲与射电脉冲精确同步。船帆座脉冲星是天空中已知最暗弱的星之一，比天狼星要暗200亿倍。

于是，由旋转和磁场所造成的周期性发射不仅在射电频率上而且也在更高的频率上被探测到了。即使在X射线和伽玛射线频率上所有的信号也被星体的旋

转以同样方式调制。

1.3狂啸与低语

一般认为，某些脉冲星的高能辐射是在中子星的极冠上发出的。沿磁场线落向极冠的带电粒子以高到接近于光速的速度撞击星体的坚硬外壳而使之剧烈升温。中子星简言之就是一个巨大的旋转磁体，其作用像一台发电机，一个每秒钟转一周的中子星能产生10‟…伏特的电压。在这种条件下，电力能够克服巨大的表面引力而使带电粒子释放并随之被加速。这些粒子立即产生高能伽玛射线，但这种辐射因被磁场抓住而难以逃离，于是转变成电子＼正电子(电子的反粒子)对。这些对又会湮灭而产生新的伽玛射线，这些伽玛射线稍后又产生出新的电子一正电子对，如此循环，直到辐射逃离这个区域。这个多重粒子产生的过程叫做级联，能使一个由里面释放的粒子产生出几千个粒子。

在脉冲星刮出的电磁旋风里，射电辐射只能算是一点“沙沙”声，但正是这点声响被我们的仪器收到了。脉冲星理论家正在构造脉冲星大气(又称为磁球，由于磁场的根本重要性)的模型，试图解释脉冲星辐射的所有细节。这就像由听声音来推断工厂里～架隐藏着的机器的运转状况。

1.4脉冲星的熄灭

如同恒星的命运是由其质量控制一样，脉冲星的命运(这里是指其旋转周期的演化)

是由初始磁场决定的。很容易推测出，脉冲星的旋转会随着其能量的损耗而一点点地减慢。由于能量的释放是由磁场造成的，对脉冲星减慢速率的测量就能用来计算中子星的磁场。

由于这个缘故，年轻中子星的旋转就比年老的要快得多。诞生于1054年的蟹状星云脉冲星当然还很年轻，它每秒钟转33次，而年老脉冲星的周期就可能是几秒钟。但是，脉冲星的周期不可能短于1毫秒，如果周期太短，脉冲星的固体外壳就会因承受不了离心力而破碎。

脉冲星的减慢速率是每秒10－“到10－”秒。这个极低的值仍然可以在一段几年长的时间里测量出来。旋转变得过慢，脉冲式的辐射也就消失了，脉冲星的寿命决不超过几百万年。