變星與脈沖星(下）

文圖 中國科學(xué)院國家天文臺 郭紅鋒

小編的話：

親愛的小讀者，上期我們給大家介紹了有關(guān)變化的恒星——變星的知識，這期我們接著來談變星中重要的星體—脈沖星！

脈沖星的發(fā)現(xiàn)

脈沖星的發(fā)現(xiàn)要歸功于英國劍橋大學(xué)休伊什教授的女研究生喬伊斯.貝爾嚴謹細致和堅持不懈的探究精神。因為在貝爾之前，也曾有人遇到過這種信號，但卻被當做干擾信號而忽略啦，導(dǎo)致其與脈沖星的發(fā)現(xiàn)失之交臂！

1967年喬伊斯.貝爾使用3.7米的射電天線做研究時，需要從大量的記錄中搜集有用的數(shù)據(jù)。在辨識記錄數(shù)據(jù)的時候，她發(fā)現(xiàn)狐貍星座有一顆星發(fā)出一種非預(yù)期但有規(guī)律的脈沖信號，脈沖的周期非常短（1.337秒），但很穩(wěn)定。起初她和她的導(dǎo)師休伊什教授都以為是外星人“小綠人”發(fā)來的聯(lián)絡(luò)信號（當時有科幻小說把外星人描寫為“小綠人”），但在接下來半年左右的時間里，貝爾又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了來自不同方向的數(shù)個同樣的脈沖信號，這不可能是相距那么遠的外星人同時向地球發(fā)同樣的信號。貝爾經(jīng)過長期觀察、認真記錄和反復(fù)確認，最后她和導(dǎo)師都認為這是一類未知的天體，并根據(jù)這些未知天體的輻射特點，給它們?nèi)∶凶雒}沖星(Pulsar)，后來證實這就是早期物理學(xué)家們預(yù)言過的中子星。

脈沖星的發(fā)現(xiàn)是天文學(xué)上的一件大事，被譽為20世紀60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。休伊什教授因此獲得了1974年的諾貝爾物理學(xué)獎。遺憾的是貝爾女士沒有與她的教授一起分享諾獎的榮譽，但國際天文界一直在為她打抱不平，貝爾女士也終生在脈沖星領(lǐng)域從事研究工作，贏得了當時和后世科學(xué)家的一致敬仰。

脈沖星與中子星

早在20世紀30年代，中子星就被天體物理學(xué)家作為恒星演化的產(chǎn)物而提出。天文學(xué)研究表明，大質(zhì)量恒星的演化末期有一個塌縮過程，恒星塌縮時巨大的壓力會把通常組成恒星的物質(zhì)擠壓到一個極小的空間。由于角動量守恒，所以中子星塌縮后的轉(zhuǎn)速會極快，內(nèi)部的磁場也會極強。

我們知道通常的物質(zhì)由原子組成。由原子組成的物質(zhì)空間類似于我們的太陽系，其中絕大多數(shù)的質(zhì)量集中在原子核上。原子核本身體積是很小的，所以原子中有很多空間。中子星的物質(zhì)就是壓縮到原子核尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。例如一顆典型的中子星直徑約20千米，相當于一座小城市大小，但是它的質(zhì)量可以達到跟太陽質(zhì)量一樣大?；蛘哒f，1立方厘米的中子星物質(zhì)的質(zhì)量就相當于地球上的一座小山那么重。理論預(yù)言的中子星密度之大，物理特性之極端，超乎人們的想象，所以在當時大多數(shù)人對這個假說持懷疑態(tài)度。

直到脈沖星被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家經(jīng)過計算推斷，只有像中子星那樣體積小、密度大、質(zhì)量大、旋轉(zhuǎn)快的星體才能發(fā)出那么快的脈沖頻率和那么高的脈沖強度。于是，科學(xué)家們相信脈沖星就是一種由中子組成的天體—中子星(見下圖模型)。

脈沖星發(fā)射的脈沖波束被人們叫做“燈塔效應(yīng)”，脈沖的周期就是脈沖星的自轉(zhuǎn)周期（一般在毫秒量級）。想象一下，海上燈塔旋轉(zhuǎn)時，從窗口射出的燈光遠看就是一閃一閃的，脈沖星（中子星）的輻射也是這樣，它不像太陽那樣向四處發(fā)光，而只是在星體上相對著的兩個端點發(fā)出輻射。原因是中子星本身存在著極其強大的磁場，強磁場把輻射封閉起來，使中子星輻射只能沿著磁軸方向，從兩個磁極區(qū)出來，這兩個磁極區(qū)就是中子星發(fā)射脈沖的“窗口”。

脈沖星研究

自從1967年脈沖星被發(fā)現(xiàn)以來，全世界大大小小的射電望遠鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2000多顆脈沖星，這些脈沖星已經(jīng)形成了國際脈沖星數(shù)據(jù)庫。但脈沖星是天體演化階段中的一環(huán)，科學(xué)家對脈沖星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的進一步研究和確認需要更多脈沖星樣本。另外脈沖星的燈塔效應(yīng)可以為人類未來的宇宙航行提供可靠的路標，脈沖星穩(wěn)定而快速的脈沖輻射可以作為宇宙計時器。因此，脈沖星研究已經(jīng)成為當代天文學(xué)研究的一個重要分支。

我國著名的“天眼”（2016年在我國貴州落成的500米口徑大射電望遠鏡，簡稱FAST），在脈沖星觀測和發(fā)現(xiàn)方面也有自己的優(yōu)勢。截止2019年8月，F(xiàn)AST望遠鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了93顆脈沖星，為國際脈沖星數(shù)據(jù)庫增加了數(shù)目可觀的樣本。FAST的靈敏度高，巡天效率高，短時間能找到更多的脈沖星，也可能觀測到其他射電望遠鏡觀測不到的更微弱（或者說更遙遠）的脈沖星信號，以及突發(fā)的脈沖信號。這將使國際脈沖星數(shù)據(jù)庫的樣本急劇增加，從而發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星種類和數(shù)量。

最后，給同學(xué)們留下一個思考的問題：你能在自然界中找到其他類似的脈沖信號嗎？請發(fā)郵件到郵箱chinahou@bao.ac.cn，記得要寫清你的聯(lián)系信息（姓名、學(xué)校、電話等）哦，我們會按照你的要求及時回復(fù)的。