中子星史话

作者:高孟嘉、赵经远

小星又和大家见面啦!在上期的文章中,小星和大家谈到了恒星生命的终结;在这期的文章中,我们来主要详细讨论一下恒星死亡后的一种特殊情况——中子星。

瑞士天文学家兹威基(左)和德国天文学家巴德(右)(图片来源于网络)

人类对于中子星的发现之路可谓是曲折坎坷。早在1932年2月27日,英国剑桥大学卡文迪许实验室的詹姆斯·查德威克发现了中子,并因此获得1935年的诺贝尔物理学奖。到了1933年底,在美国威尔逊山天文台工作的两位天文学家沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基在一次会议上首次预言了存在一种完全由中子构成的天体——中子星,不久后这两位天文学家将这次会议上的讨论发表了,随后他们又接连发表了几篇论文对中子星作了更详细的讨论。从此以后,中子星有了明确定义。正当人类对中子星的研究刚要起步时,时间已悄然到了第二次世界大战爆发前夕,世界顿时处于一种紧张氛围之中。剑拔弩张之时,美国物理学家罗伯特·奥本海默和沃尔科夫提出了系统的中子星理论,认为在质量与太阳相似的恒星内部可以达到简并中子的流体静力学平衡,但是因为战乱,这种超前的理论并没有引起天文学界的重视,因此不了了之。

罗伯特·奥本海默(图片来源于网络)

 

在这期间天文学家也曾给出有关的参数:中子星的质量约为一个太阳质量的1.35到2.1倍,半径则在10至20公里之间。但当时天文学家们并没有实际观测到过中子星,中子星一直只是理论中存在的天体。

时光飞逝,转眼到了1967年。正在剑桥大学攻读博士学位的乔瑟琳•贝尔在她的导师安东尼•休伊什的指导下用一个射电望远镜研究星际射电闪烁现象,有一天她忽然发现了一个不同寻常的脉冲信号,这个脉冲信号以非常规律的周期(1.33秒)重复出现。她与导师把这个信号与外星生命的存在联系起来,将它称为“小绿人1号”(Little Green Man 1,缩写为LGM-1)。但是后来他们又发现了几个这样的周期性脉冲信号,对此贝尔凌乱了,这些信号一定不是外星生命向地球地球,因为不可能有多个“小绿人”在不同方向、同时向地球发射不同的脉冲信号。最终他们认为这是一种新的天体类型,将之称之为脉冲星——一类会发射周期性脉冲信号的天体。不久后几位天文学家证明了脉冲星其实是中子星的一类,至此人类终于发现了第一颗中子星、同时也是第一颗脉冲星,它的编号为PSR B1919+21。贝尔的导师安东尼·休伊什因脉冲星的发现而荣获1974年的诺贝尔物理学奖,虽然人们至今对贝尔未能获奖颇有微词。

贝尔与小绿人一号(图片来源于beyondcurie.com)

 

 意大利天文学家帕西尼在贝尔发现“小绿人1号”前不久发表论文预言:“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”。不久后的1968年,天文学家果然在蟹状星云中发现了脉冲星PSR B0531+21,证实了帕西尼的预言。

蟹状星云(图片来源于网络)

 

 作为除黑洞外密度最大的星体,中子星是由8~30倍太阳质量的恒星演化而成——当剧烈的压缩使恒星组成物质中的电子并入质子转化成中子,便诞生了中子星。中子星的直径大约只有十余公里,但一立方厘米的中子星物质便可重达十亿吨,当其高速自转、发出周期性脉冲时,便形成了我们熟知的脉冲星。

蟹状星云脉冲星概念图(图片来源于网络)

 

 脉冲星与类星体、星际有机分子和微波背景辐射被称为“20世纪60年代天文学的四大发现”,而关于脉冲星的研究成果,早已独揽两届诺贝尔物理学奖,成为一段佳话。时至今日,人类对中子星的探索仍未停止,它为人类研究宇宙的起源、演化和变迁提供了一把天然的钥匙,人类正手持钥匙,准备打开星空的大门。


小资料

A、脉冲星的命名规则:由脉冲星的英文Pulsar缩写PSR加上其赤经赤纬坐标组成。如PSR B1937+211937是指该脉冲星位于赤经19 h 37 m+21是指其位于赤纬+21°。由于各种原因,天体的位置也在发生变化,B意味着赤经赤纬是历元1950年的值(大致为天体在1950年世界时12时的位置,下文历元2000也类似),J则表示赤经赤纬是历元2000年的值。

B、脉冲星中的第一:

  1、人类发现的第一个中子星同时也是第一个脉冲星:PSR B1919+21,位于狐狸座方向,周期为1.33730119227秒。

  2、人类发现的第一个脉冲双星(脉冲双星指双星系统中有一颗是脉冲星):PSR B1913+16。通过对其深入研究,首次发现了引力波存在的间接定量证据,是对爱因斯坦广义相对论的一项重要验证,这一研究因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

  3、人类发现的第一个毫秒脉冲星:PSR B1937+21,其自转周期为1.557708毫秒。

  4、人类发现的第一个存在系外行星的天体、同时也是第一颗存在系外行星的脉冲星:PSR B1257+12

  5、人类发现的第一个也是至今唯一一个双脉冲星(双脉冲星指双星系统中两颗星都是脉冲星):PSR J0737-3039


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