书城科普青少年应知的100个天文学常识
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第66章 脉冲星(上)

 脉冲星发现史

20世纪60年代,天文学家发现,某些遥远天体发出的射电波,似乎存在着一种随时间快速“闪烁”的规律。为了研究这种闪烁,英国剑桥大学的天文学家休伊什领导建造了一台新型射电望远镜,它由2 048面天线组成阵列,占地12 000平方米。1967年7月,这个阵列开始工作,昼夜不停地探测天区中的射电波,并把观测结果记录在纸带上。

脉冲星当时,休伊什指导的一位博士研究生贝尔负责查看这些纸带并写出汇报。观测一个多月后,贝尔发现纸带上的记录曲线有时会出现某种异常,既不像闪烁的射电源,也不像人为的无线电干扰,显然来自地球之外。1967年11月底,贝尔对这种特殊信号进行了仔细分析,发现这种信号由一系列脉冲组成,脉冲间隔时间相等,为1.337秒,非常有规律。

不久,贝尔又发现两个类似的信号源,表明此类信号可能源自某种天体的运动。因此,休伊什摒弃原先的观点,指出这种天体可能是脉动着的恒星,在不断地膨胀、收缩或变形,每一次脉动对应着一次能量爆发。根据他的解释,这种天体被称为脉冲星,后来知道这个名字并不确切,却一直沿用了下来。

休伊什和贝尔在《自然》杂志上公布他们的发现时很是谨慎,但是在文章中也提到他们原先猜想这种信号来自外星人。这顺便提到的曾经的猜想,还是被新闻界大肆炒作了一番,最终不免让激情难抑的公众大失所望。

脉冲星的发现为中子星和超新星理论提供了观测证据,为恒星演化理论增加了重要内容。1974年,休伊什因发现脉冲星获得诺贝尔物理学奖。贝尔榜上无名,此后科学界一直有人为她鸣不平。多年以后,一位不愿暴露身份的射电天文学家告诉贝尔,在休伊什和贝尔发现第一颗脉冲星之前,他曾观测到猎户星座中有一个脉冲星。当时,他的自动记录仪指针以等间距有节奏地颤动着,于是他做了一生中最愚蠢的动作:脚踩仪器,于是颤动消失。随之消失的,大概还有一项擦肩而过的诺贝尔奖。

看到这儿,相信你应该得到一些启示,那就是小心和谨慎在科学研究中的重要性,机会总是在一瞬间出现,而机会总是偏爱有准备的头脑,一个人要想成为一个合格的科学工作者,特别是天文工作者,就必须养成细心、严格的习惯。

20多年来,人们又陆续发现了许多周期在0.033~4.5秒之间的脉冲星。现在一般认为,脉冲星可能是自转的中子星,是超新星爆发时形成的,其脉冲特征来源于由中子星强磁场决定的射束,中子星的自转带动此射束旋转,每转一周射束就扫过地球一次,因而使观测者探测到了脉冲效应。最著名的脉冲星是蟹状星云的中心星PSR0531+21(图4-11),其脉冲周期为0.0331秒。1982年9~11月,美国一天文小组发现射电源4C21.53是一个脉冲周期只有1.56毫秒的脉冲星,定名为PSR1937+215,这类毫秒级的射电脉冲星至今已发现30多例。已发现的脉冲星总数超过了500多个,其中绝大多数是射电脉冲星,脉冲出现在X波段的脉冲星约30个,但在光学波段检测出并证实的光学脉冲星和探测到γ辐射的γ射线脉冲星均各为4个,有意义的是对于蟹状星云脉冲星,从射电、红外、可见光、X射线到γ射线,即从波长10米到十亿分之一毫米的宽广波段内,人们都获得了它的观测资料,而离地球3.6万光年之远的脉冲星PSR1820-11的γ辐射是我国学者李惕培、吴枚在1989年用他们发展的一种新的空间数据成象方法发现的。

 脉冲星的奇特之处

脉冲星最使天文学家惊奇的是辐射变化之迅速。超短周期变星的光变周期有的不足1小时,甚至更短。探索脉冲星所用的时间分辨率愈高,测得脉冲的精细结构也就显得更清楚,万分之几秒内的射电强度变化也能看出来。

用很高时间分辨率所测得的一个具体脉冲记录,可见脉冲星信号的复杂精细结构根据一个脉冲内部强度变化的快慢,可以对脉冲产生区的大小作出某种推断。为简化起见,可以设想有一个球离观测者甚远,用光学望远镜或肉眼看去都只见一个光点(见图4-13)。如果这个球在极短瞬间内发出一道闪光,遥远的观测者会看到什么辐射以光速传播。由于从球面不同部位出发的光线所经路程不等,同时发出的光线到达观测者眼睛的时刻也就不同。首先到达观测者眼睛的信号发自球面上离他最近的所在,然后是来自一个环形区的辐射,最后则是历经最长路途,发自星球视圆面边缘的光线。本来发出的是短脉冲,在这位观测者的眼里却成了时间拖长的模糊脉冲,它的延续时间等于光线通过球半径所需的传播时间,但是不仅脉冲如此,球面亮度发生任何式样的变化都会照样在这段时间中变模糊,这是因为一切信号,不论是使亮度增强的还是减弱的,都不免要发生这种传播路程差。即使辐射产生区不是球面,这种脉冲变模糊现象也会有。

由于光信号从球面不同部位到观测者所需传播时间有差异,一个从球面发出的光脉冲(图中左上)在一个遥远的观测者(图中右方)看来变成时间拖长的模糊脉冲。因此,如果测得某辐射源的强度在万分之一秒内有变化,我们就可以断定,该源不可能比光线在这段时间内所走过的路程30千米大得多,要不然的话,变化的信号就会因时间拖长而模糊。在一个脉冲中,万分之几秒内就见强度起伏,图4-12观测记录上锯齿形起伏的陡翼表明了这点。既然射电辐射以光速传播,结论只能是发出脉冲的天体的直径不能大于几百千米。这么小的天体实在是出乎天文学家们的意料,因为平常研究的都是太阳那么大的天体,突然蹦出一个这么小的天体,实在让人迷惑。不过,这种迷惑并没有持续太久,因为早在脉冲星发现之前,就有人已经提出了中子星模型。

 脉冲星的中子星模型

1939年,美国物理学家奥本海默和沃尔科夫在《物理评论通讯》上发表论文,详细探讨了中子星的特性,指出这种恒星具有极高的表面温度,释放出大量的射线。

超新星爆发是由于恒星内部轻元素因核反应耗尽,星体收缩,内部温度持续升高,重元素开始新的核反应时,星体不再辐射能量,反而从外界吸热,造成星体塌缩,中心压力猛增,电子被压到原子核里同质子结合成中子,形成高温、高密的中子核;当大量物质向中子核坍缩时,在很短时间内释放惊人的能量,恒星外壳爆炸破碎,被抛射到空间形成稀薄的星云,中间留下的中子核就是中子星。

根据中子星模型,太阳变成中子星后,直径不会超过30千米。1立方厘米+3中子星物质,其重量比一百万辆载重100吨的卡车所载物质还要重。一小块中子星物质在距地面高1米处落地,只靠自身重量就可以轻易地穿过地球,在地球上钻出一个洞;然后又钻回到地球另一边,给地球穿上另一个孔,如此不断反复,直到最后停留在地心处。地球实在是经不起这样的折腾。

就其射电脉冲能量来说,脉冲星是一个巨大的能源库,强大的能量释放,会使中子星自转逐渐放慢,从而使脉冲周期缓慢变长。蟹状星云脉冲星的周期每天增加10亿分之36.48秒,在其他脉冲星中也发现了这种现象。由此证实,脉冲星是自转中子星的说法有其合理性。

无论怎么说,我们给脉冲星找到了一个合适的模型,并且这个模型看起来还是那样的合适,这实在是一件很伟大的事情!