一闪一闪脉冲星

作者: Jocelyn Bell

来源: 《自然》杂志

发布日期: 2017-08-15

本文详细介绍了脉冲星的发现过程、特性及其在天文学研究中的重要性。脉冲星是由剑桥大学的Jocelyn Bell在1967年通过射电望远镜首次发现的,它们是快速旋转的中子星,因其规律的脉冲信号而被命名。脉冲星的研究不仅揭示了中子星的复杂结构,还为检验爱因斯坦的广义相对论提供了重要工具。

在50年前的那个夏天,一位剑桥大学的博士生Jocelyn Bell使用她导师Anthony Hewish新设计的一台射电望远镜来寻找类星体。那时天文学家对类星体的了解是,它们是非常遥远的星体,会发出忽强忽弱的不规则的射电信号。长长的数据带上,Bell在小于一英寸的区域察觉到了她称之为“颈背”的奇怪图案,这个信号强劲且规律的,她意识到这异样的背后可能蕴藏着一个新奇的事件。

这种脉冲信号精准的每隔1.337秒重复出现,而当时并没有什么已知显而易见的天文现象能产生这种规律的快速脉冲。Bell的同事问她的第一个问题就是她是否把线接错了。起初Bell想:我该不会是发现外星文明了吧!所以一开始,他们玩笑的将这个信号取名为LGM-1,它是Little Green Man这三个单词的首字母缩写,意思是“小绿人”。

但外星信号这一想法很快就被击破了,因为他们接二连三的发现这种信号,每个都有自己不同的周期。这些奇异的信号必须有一个自然的解释。它必须是来自一种新的恒星,1968年,Bell在《自然》杂志上发表了这一发现。这种星体后来被称为脉冲星。当Hewish和Bell宣布这一发现时,美国天文学家Thomas Gold建议说,这些物体可能是快速自转的中子星。

Fritz Zwicky和Walter Baade曾在1934年,也就是发现中子的两年后提出了这种星体的存在。Gold认为这种中子星会快速旋转,其强烈的磁场产生的辐射束就像旋转的灯塔一样。现在,天文学家对中子星的研究已经持续了半个世纪。我们对它们的了解越来越多,但仍存有许多未解之谜。它们的的确是超新星在爆炸过程中创造出来的,并在创造之初可以每秒旋转近千次。

正如Gold最先提出的那样,这会产生一个巨大的磁场,其强度可以是地球数万亿倍。这又进而产生电场,能向外加速在中子星磁极的两束强辐射中的电子和其他带电粒子。和地球一样,中子星的磁极方向与其旋转轴并非完全一致,所以光束会像宇宙灯塔一样扫过天空。当脉冲星光束指向我们的方向时,每旋转一次就能让射电天文学家探测到射电脉冲波。中子星的结构比他们的名字更为复杂。

它们的半径只有10到15公里,它们的结构随着由外向内不断变化。中子星的外壳被一层几厘米厚的热等离子大气层包围,外壳是由类似白矮星的物质构成的,包含了简并电子海中的重核,其密度约是水的100万倍。向内移动,密度迅速增加。当抵达内壳时,原子核中的中子的比例随着游离中子的密度急剧增加,直到到达密度为水的约100万亿倍的临界值。进入外核后,能发现它几乎完全由中子和少量质子、电子和μ子构成。

目前我们还不知道在中子星最中心形成其内核的材料的物理结构。

50年过去了,科学家从没有停止对脉冲星的探索。现在,已知的脉冲星超过了2000颗,它们是一个多样化的群体。但共同点是它们都是非常致密且快速旋转的中子星。随着它们的旋转,一束束射电波如灯塔般规律地扫过地球。这种信号是如此规则,使脉冲星可以成为非常精确的时钟。不仅如此,对脉冲星的研究也可以帮助我们检验爱因斯坦的广义相对论,以及观测大质量物体是如何通过扭曲周围的时空来产生引力的。

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