专题讲座4--脉冲星研究的历史回顾

脉冲星是银河系的探针
过去:银心附近很少
现在:银心周围有很多
脉冲星在银河系的分布
主要集中在银道面附近，但到处都有
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新疆25米脉冲星观测
• 目前新疆25米进行经常性观测，在国际核心 刊物发表数十篇，在国内依然一枝独秀。
10年发现脉冲星星震事件50例，占世界40年发 现总数的20%，最有显示度。
望远镜太小，虽然观测课题超过10个，但有的 课题研究对象很少。观测能力的提高已近极限！
开展脉冲星观测的主要望远镜
Lovell 76m
EffelsFbAeSrgT 510000mm
Greenbank 100–by110m
Parkes 64m
TMRT 65m
Aricebo 305m
6
Parkes多波束巡天是迄今最成功的脉冲星巡天
• 巡天发现脉冲星，逐年增加，近10年最快，澳64米 贡献最大，一个较小望远镜居然占2/3以上。创造了 奇迹。
• 与澳洲相比还是有不足之处：一是地理位置， 一是观测频段。挖掘高频观测的优势。
• 上海台人才济济。不过还是要加强脉冲星方面 的人才培养：课题和技术都需要。所以是各位 同学考研的很不错的选择
二，中子星的预言、发现和证认
• 二十世纪最后的30年中，有7项物理学奖授
予9位天文学家。脉冲星的发现占7项中的两项. • 1967年发现脉冲星并被证认为30多年前预言 的中子星,发现者于1974年获诺贝尔奖. • 1974年发现脉冲双星并间接验证了物理学家 预言了半个世纪的引力波。发现者获1993年诺 贝尔奖.
已知 175颗， 年龄：
109 年
在双星
中有130个
3
脉冲星奇异品种
毫秒脉冲星（ P < 33ms） 约200左右 脉冲双星（双星中有一颗是脉冲星）130 X－ray脉冲星 80 反常X－ray脉冲星（AXP）12 磁星 6 – B~1015 G 在星团中发现的 98 我们银河系之外 25 双脉冲星 1
（1）双星的轨道运动周期 （2）径向脉动周期 （3）自转
（1）双星的轨道运动
• 在银河系中，双星是很普遍的现象。轨道周期 长的一般在5年左右，甚至可达万年之久。
• 两颗子星相距较近的双星，绕转周期较短，一 般在10天左右。
特别适合发现脉冲星的望远镜
• 望远镜接收面积特别大解决了脉冲星的辐射特 别微弱的问题；脉冲星辐射是幂律谱，恰好在 3.7米波段比较强，观测灵敏度高。
• 行星际闪烁是短时标的变化，要求射电望远镜 接收系统的时间分辨率达到0.1秒，恰好比大 多数脉冲星的周期短；
• 为了测定行星际闪烁对日距角的关系，要求对 每个射电源重复地进行测量。
中子星参数估计
• 中子星是比白矮星更致密的恒星,其密度超过原 子核的密度。典型的质量为1.4太阳质量，10 千米半径，密度为7×1014gcm-3，为正常原子 核密度的2～3倍，中子星核心处的密度则要比 原子核密度高10-20倍。
• 预计光度很低。光度是和恒星的表面积成正比， 比正常恒星的光度要低几十亿倍。当时认为观 测的可能性很小。
脉冲星研究的历史回顾
• 脉冲星观测研究现状简要情况 • 中子星的预言、搜寻和证认 • 脉冲星发现后的四大发现
一，脉冲星观测研究国内外现状简要
• 已知2700多颗，大部分 在银河系
0.001s 0.01s 0.1s
1s
10s
• 普通脉冲星: 0.1-8.5秒， 年龄：10 7-8 年
• 毫秒脉冲星: 1.4-33毫秒，
• 在1967年以前，有天文学家推测在蟹状星云中 心的一颗16等的暗星在向星云提供高能粒子和磁 场。发现其频谱不寻常，在它的附近星云有明显 的活动。 • 1965年，休伊什用行星际闪烁的方法测出了蟹 状星云存在一个致密成分，角径约0.2角秒，亮 温度为1014K。指出，“这个致密成分可能是爆
发 恒星的遗留物”。可惜没有认识到是中子星。
（三），行星际闪烁观测和脉冲星的发现
1，休伊什研究行星际闪烁
• 休伊什是行星际闪烁的发现者和这个研究 领域的开创者。早在1948年就开始研究，得出 一系列结论： • 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，它们会使射电波发 生闪烁；只有那些角径小于0.5～1角秒的射电 源才会出现行星际闪烁；提出了“相位屏衍射” 理论。
• 蟹状星云是超新星爆发后的产物。被确认是中国 古籍上记载的1054年超新星爆发的遗留物。 • 蟹状星云是一个全波段天体，其总的辐射功率为 1038 尔格/秒 ，相当于十万个太阳的辐射。一团稀 薄的气体怎么可能产生如此强烈的辐射？ • 光学观测发现蟹状星云在膨胀，每年大约0.2角秒 左右，膨胀速度在加快。能源来自哪里？
体，星等为13等。1967年，Shklovsky认为这是 双星系统中的一颗中子星，吸积伴星的物质发出 X射线辐射。中子星吸积伴星的物质发出X射线辐 射。没有人同意。 • 1968年，已经观测到20颗致密的X射线源，都 是中子星，但因为没有令人信服的证据。把发现 机会留给了射电天文学家。
2，蟹状星云能源之谜和中子星的寻找
• 高能电子来自何方？磁场怎样形成的？
• 1964年，Kardashev提出，“一个具有磁场的 旋转的恒星塌缩为一个致密天体和一个环绕的 星云。这个致密天体在诞生时旋转很快，其自 转能可以通过磁场转化给星云。他假定这个机 制可以提供蟹状星云以能量。
• 1967年Pacini指出，“在蟹状星云中存在一个 由中子组成的星，它每秒自转多次，有很强的 磁场，磁偶极辐射给星云以能量 ”。这与后来 发现的脉冲星的观测特征完全一致。
云台的优势和潜力
• 南天脉冲星的观测在国内 是优势。已能观测10几颗脉 冲星，其中PSR B0833-45的 单个脉冲。 • 40米口径天线优于新疆 • 接收设备还不够好，改造 任务还比较重。
中国VLBI网 基线>3500千米 • 上海天文台领军， 贡献最大。上海台观 测脉冲星已成功 • 英国MERLIN的观 测成果很多；
2，巴德和茨维基预言 中子星在超新星爆发中产生
• 1933年12月，他们提出预言，并在1934年连 续发表了3篇论文。
• 就超新星爆发放的巨大能量给出一种解释，认 为：“普通恒星通过超新星爆发转变为主要由 中子组成的中子星。最后形成的中子星由挤在 一起的中子组成；中子星具有很小的直径和很 高的密度，因为中子可以相互挤着一起，比原 子核之间或电子之间更紧密。”
剑桥大学的闪烁望远镜
• 1965年，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。 • 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。固定不动。 • 3.7米的波长： 闪烁比较强；
时间分辨率达到0.1秒。 • 望远镜造价低，制造容易。
（四），脉冲星被证认为中子星
脉冲星很短的周期脉冲特性是已知天体中的观 测研究中所没有的。最初研究得最多的是白矮星 的径向振动，然后才认为可能是中子星的径向振 动。最后才确认为中子星的快速自转。
虽然这时，夸克星的概念已经提出，还没有人 把脉冲星与夸克星联系起来。上世纪90年代，开 始有人提出脉冲星就是夸克星的讨论，至今这个 问题的讨论已经比较深入了。
• 中国VLBI网的分辨率要强10多倍，潜力很大。
上海65米射电望远镜
• 观测能力强大，将占据重要地位。将是我国最 快能建成的大型射电望远镜。其性能超过澳 Parkes。
• 德国100米观测脉冲星落后，原因在于不重视， 现在后悔，但正在改变！
• 上海把脉冲星作为重点之一，有大量有显示度 的观测可做。
•蟹状星云是我国1054年观测记录到的超新星爆发 所遗留的遗迹，在此星云中心发现一颗脉冲星；
• 1953年，前苏联天文学家什克洛夫斯基用同步 辐射理论来解释蟹状星云的连续辐射。这要求 在蟹状星云中有大量的能量大于1011电子伏特 的高能电子和大约10-3 高斯的磁场。
• 高能电子的寿命有限，辐射射电波的寿命仅 100年，辐射X射线的寿命则只有1年。蟹状星 云的年龄已有1000年，超新星爆发时所产生的 高能粒子的能量早已消耗殆尽。
上海65米天线肯定有作为！
新疆天文台两大关键设备的研制：消色散系统（左） 致冷前置放大器
新台技术人才水平提高很快
（1） 新台观测脉冲星能力不断提高
1996年开始观测脉冲星，可观测10颗； 1999年可观测74颗； 2002年可观测280颗； 2008年可观测300颗。 （2）望远镜运转非常繁忙，2010年每年运行334天： 每天运行21小时。 几乎年年如此，望远镜维护得 很好。 （3）1.3厘米致冷接收机的研制 （4）QTT110米射电望远镜建立
脉冲星在超新星爆发中诞生
恒星处于平衡 状态引力与辐 射压力相当恒
恒星核反应停止 恒星发生爆炸,中
引力>>辐射压力 心部分坍缩形成中
恒星坍缩
子星，外部形成超
新星遗迹
（二），中子星的搜寻
1，X射线源的搜寻
中子星的理论研究： （1）中子星内部致密物质的状态方程的研究； （2）中子星内部的超流状态的研究； （3）中子星的冷却;诞生时比较热的，通过其表 面的热辐射和内部的中微子辐射消耗其能量，逐 渐降温。表面温度约为106K，可以辐射软X射线。 成为寻找中子星的一种方法。
中子星和夸克ck, ’32）
朗道预言中子星 盖尔曼预言夸克星 （Landau, ’31） （Gell-Mann, ’64）
1，朗道预言中子星的存在
• 23岁的研究生朗道在1931年2月完成的一篇论 文提出，“可能存在比白矮星的密度更大、达到 原子核的密度的恒星。” “恒星当它的物质密 度超过原子核的密度时，粒子将紧密接触，形成 一个巨原子核。” 这就是今天关于中子星结构 的一种简明的说法。论文于1932年发表。 • 在研究这个问题时，中子还没有发现，理论 上存在困难。好在1932年发现了中子。
1967年8月6日发现脉冲星的纪录
记录上干扰信号常见，行星际闪烁信号与干扰相似， 每天都要鉴别、排除干扰。脉冲星的信号也像干扰。
最早发现的4颗脉冲星之一 PSR0329＋54的纪录 存在明显的周期性
3，确认发现脉冲星
• 休伊什发展了一种精确测定射电源脉动周期的 方法：采用精确的时标和改正地球轨道运动的影 响。获得的脉冲周期可以精确到千万分之一秒。 周期为1.3372795秒。 • 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。
• 1962年贾科尼火箭探测月球,偶然发现天蝎 座Sco X-1，是颗中子星，可是没有认证出来。 • 1964年7月Bowyer等利用月掩食X射线源的方 法，测量蟹状星云中的X射线源尺度，测得不 准，约为1013千米，比中子星要大很多。而蟹 状星云中确实有一颗辐射X射线脉冲的中子星。
• 1966年，Sandage等找到了Sco X-1的光学对 应
2，贝尔发现不寻常“ 闪烁源”
1967年7月，望远镜开始观测。贝尔的博士论文 是行星际闪烁研究。她投入观测，每周重复巡视一 次，每天记录纸有七八米。6个月的观测取得5.6千 米的记录纸的原始资料。
8月，贝尔注意到一个发生在深夜的“闪烁源”， 这是不寻常的，夜晚太阳风很弱，不会有强闪烁源。
在排除了人为干扰和确认这个信号遵守恒星时 以后，确认是一颗来自太阳系之外的射电耀星。
中子星观测研究长足进步
中子星世界错综复杂，按照能量的来源区分三类： 1，能量来自中子星自转能的损失，称为转动能 脉冲星，射电脉冲星、X-射线脉冲星和伽码射线 脉冲星。 2，能量来自吸积伴星物质，称为吸积型脉冲 星，包括吸积能X-射线脉冲星、X-射线爆发源； 3，磁能脉冲星或称磁星（软γ射线重复暴和反 常X-射线脉冲星。辐射能大于转动能损率。
1，脉冲星周期的观测特性
特性之一：稳定而短的周期 脉动的射电辐射而得名。周期很短1.4毫秒～ 8.5秒。 特性之二：周期缓慢的变长
Pdot=10-13~10-20s/s
2，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：