變星與脈沖星(上）

文圖 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 郭紅鋒

很多同學(xué)都知道恒星是恒定不變的意思，但究竟在什么方面恒定呢？另外同學(xué)們也聽(tīng)說(shuō)恒星是有變化的，究竟有哪些變化呢？今天我們就來(lái)談?wù)勛兓暮阈恰冃?，以及變星中的重要星體——脈沖星。

什么是脈沖

脈沖信號(hào),就是像脈搏跳動(dòng)一樣的信號(hào)，一會(huì)兒有，一會(huì)兒無(wú)。類似有規(guī)律的忽明忽暗、忽有忽無(wú)的信號(hào)都可以稱作脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)又分一次性的和周期性的。一般有用的脈沖都是周期性的，就是間隔一定的時(shí)間出現(xiàn)一次。例如正常人的脈搏一般是每分鐘跳動(dòng)60-70次。

現(xiàn)代許多電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)內(nèi)使用的信號(hào)都是脈沖信號(hào)，又叫數(shù)字信號(hào)。脈沖的科學(xué)定義：一個(gè)物理量在一段相對(duì)短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)突變后，迅速回到其初始狀態(tài)的過(guò)程。脈沖是相對(duì)連續(xù)信號(hào)而言的，在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)不是總有信號(hào)，大部分時(shí)間內(nèi)沒(méi)有信號(hào)，只在短時(shí)間內(nèi)有信號(hào)，就像人的脈搏一樣。脈沖一般包括脈沖幅度、脈沖寬度、脈沖上升時(shí)間、脈沖下降時(shí)間、脈沖周期、脈沖頻率等主要特征參數(shù)(如圖1所示)。

什么是變星

古代的人們最早認(rèn)為恒星自身是永遠(yuǎn)不變的（包括恒星的亮度、相互位置等）。實(shí)際上，大多數(shù)恒星距離我們非常遙遠(yuǎn)，即使它們本身有變化，古人用肉眼也根本察覺(jué)不到。在人類觀星數(shù)千年的歷史上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大多數(shù)恒星在亮度上幾乎都是固定不變的。以我們的太陽(yáng)為例，現(xiàn)代科學(xué)儀器觀測(cè)到太陽(yáng)的亮度存在11年的周期性變化，但也只有0.1%的變化幅度，肉眼是無(wú)法察覺(jué)的。

然而，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，有些恒星也很“調(diào)皮”，甚至變化多端。于是，人們就把那些有各種變化的恒星（在天文學(xué)上一般是指亮度與電磁輻射不穩(wěn)定的恒星），叫做變星。那些被歸類為變星的恒星，其亮度變化是非常顯著的。現(xiàn)代天文學(xué)把變星劃分為3大類：食變星、爆發(fā)星和脈沖星。

圖1

1.食變星

圖2中上半部分是一個(gè)食變雙星的例子。該系統(tǒng)中有一個(gè)子星（黃顏色）和一個(gè)伴星（白顏色），它們進(jìn)行互相繞轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。因此，從地球上看起來(lái)，它們就像地球上看到的“食”現(xiàn)象一樣，在運(yùn)動(dòng)中因互相遮擋而使它們有亮度的周期性變化。例如，當(dāng)時(shí)子星在其伴星之前通過(guò)（位置2），就會(huì)全部遮住伴星的光；而當(dāng)伴星在子星之前通過(guò)時(shí)（位置4），也會(huì)部分遮住子星的光。

具體來(lái)說(shuō)：

在位置1，子星和伴星互不遮擋，二者光度合成，故測(cè)量到的亮度幅度最高；

在位置2，子星遮擋了伴星，只有子星的亮度被測(cè)到，故幅度最低；

在位置3，同位置1，故幅度也是最高；

在位置4，伴星的光部分地遮住子星的光，故二者合成的亮度較之1、3略低。

圖2下半部分表示了食雙星系統(tǒng)在互相繞轉(zhuǎn)時(shí)因遮擋情況不同而發(fā)生的亮度變化情況，這里表現(xiàn)的是周期性、重復(fù)性、變化比較平滑的脈沖信號(hào)。

圖2

2.爆發(fā)變星

爆發(fā)變星中包括新星、超新星等。它們都是自身變光的星體，正常情況下它們發(fā)出的輻射也是基本恒定的（與其他恒星一樣），但在內(nèi)部物理過(guò)程發(fā)生突變（爆發(fā)）時(shí)其亮度會(huì)突然增大。這種突然爆發(fā)的新星或超新星，其亮度的突然增大只持續(xù)很短時(shí)間，增加的幅度非常高，隨后又緩慢下降（變暗）。其光變曲線如圖3（其中SNII-P和SNII-L是2種不同類型的超新星亮度變化曲線），一般都是一個(gè)陡峭上升再緩慢下降的單次脈沖信號(hào)。

圖3

3.脈沖星

脈沖星是重復(fù)發(fā)出周期很短（頻率很高）、強(qiáng)度很高（上升很尖銳）脈沖信號(hào)的星體。圖4為計(jì)算機(jī)去掉噪聲、干擾等信號(hào)后的脈沖星亮度變化脈沖信號(hào)。從脈沖星的信號(hào)分析，可見(jiàn)這類天體發(fā)出的輻射頻率極快，強(qiáng)度極高。是什么樣的物理機(jī)制造成了脈沖星獨(dú)特的輻射信號(hào)呢？我們下期接著為大家介紹！

圖4