宇宙中的灯塔

作者|吴霞辉
审核|赵经远
编辑|贺柏翔
小星几个星期前向小伙伴们介绍了类星体,上个世纪60年代,面对这种新奇天体,天文学家纷纷摩拳擦掌,准备一展身手,但让人意想不到的是,以类星体为研究目的的项目却发现了另一种预言已久却迟迟不肯现身的神秘天体……
类星体艺术图(图片来源于universetoday.com)
为了研究星际射电闪烁现象(射电源发出的射电信号在传播过程中,由于星际介质密度改变而使地面接收到的射电强度时强时弱,这种现象称为星际射电闪烁,类似于“星星眨眼”),进而辨认类星体,并测量它们的直径,剑桥大学在20世纪60年代建造了一个射电望远镜阵列。1967年11月28日,剑桥大学的女研究生乔瑟琳·贝尔·伯奈尔在检测这个阵列接收到的射电信号时,发现了一些有规律的脉冲信号,这些信号周期为1.337秒,十分稳定。
乔瑟琳·贝尔·伯奈尔发现的第一个脉冲星信号(图片来源于维基百科)
起初她与她的导师安东尼·休伊什怀疑这是外星人发来的信号,并因此把发现的第一个脉冲信号称为LGM-1(Little Green Man 1,小绿人1号)。但是在接下来半年的时间里,他们又陆陆续续发现了很多类似的信号,看来这些信号基本不可能来自来自地外生命了,他们开始怀疑这是一种前所未见的新天体。不久后美国天文学家法朗科·帕奇尼指出这是几十年前已经预言存在、但却一直没有被发现的中子星的一种,它是一类高度磁化、快速旋转的中子星,因为这种天体不断地发出电磁脉冲信号,就把它命名为脉冲星。脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子并称为20世纪60年代天文学四大发现,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。
安东尼·休伊什(左)获得诺贝尔物理学奖(图片来源于网络)
质量不够大(小于8倍太阳质量)的恒星晚年外层膨胀,内部收缩,依靠电子简并压力与引力相抗衡,成为白矮星;而对于更大质量(8~25倍太阳质量)的恒星而言,晚年内部辐射压降低,无法与其自身的引力作用抗衡,这时恒星便会迅速坍缩,发生猛烈爆发,这便是核坍缩型超新星,而核心处电子被压入原子核与质子形成中子,核心便可依靠中子的简并压与引力保持平衡,这便形成了中子星。典型中子星的半径只有几公里到十几公里,质量却在1-3倍太阳质量之间,因此其密度可以达到每立方厘米上亿吨。由于恒星在坍缩的时候角动量守恒,坍缩成半径很小的中子星后自转速度往往非常快。又因为中子星的磁轴与自转轴通常不重合,而是有夹角的,夹角甚至可以达到90度,因此磁轴随着中子星自转而周期性旋转,脉冲信号只能从磁极发射出来,形成圆锥形辐射区,如果扫过地球,就成为可探测到脉冲信号的脉冲星,我们便会接受到周期性的脉冲,就像宇宙中的灯塔,脉冲周期便是脉冲星的自转周期。
脉冲星艺术图(图片来源于newsoftheuniverse.com)
脉冲星靠消耗自转的能量来弥补辐射出去的能量,因而自转会逐渐变慢(进而脉冲周期会逐渐变长)。但是这种变慢非常缓慢,以致于脉冲周期的精确度够超过原子钟。而从脉冲周期就可以推测其年龄(用这种方法算出的年龄称为脉冲星的特征年龄),周期越短的脉冲星越年轻。20世纪80年代,人们又发现了一类毫秒脉冲星,它们的脉冲周期非常短,只有毫秒量级。按前面所说的,毫秒脉冲星的年龄应该非常年轻,但是研究发现毫秒脉冲星的磁场强度比通常的脉冲星小许多,而这又意味着它们的的年龄很古老(磁能随时间推移而消耗),这两个结论互相矛盾。目前的公认看法是,这种脉冲星与另一颗恒星形成了密近双星系统,来自伴星的物质携带角动量落到脉冲星上,使古老的脉冲星自转加速,形成毫秒脉冲星。
毫秒脉冲星艺术图[图片来源于伽利略国家望远镜(TNG)]
1974年,美国天文学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了第一个脉冲双星系统。它由一颗脉冲星PSR B1913+16,与一颗普通中子星构成,轨道周期很短,仅为7.75小时。轨道偏心率为0.617。当两颗子星相互靠得很近时,极强的引力辐射会导致它们的距离愈加靠近,轨道周期会逐渐变短。通过精确测量它们的轨道周期变化间接证实了引力波的存在,验证了广义相对论。赫尔斯和泰勒因此获得1993年的诺贝尔物理学奖。
PSR B1913+16示意图(图片来源于网络)
2003年,天文学家发现了一个极为罕见的双脉冲星系统——PSR J0737-3039,它的两颗子星都是脉冲星。观测显示,这对双脉冲星系统的A星是一颗1.337倍太阳质量的毫秒脉冲星,周期22毫秒,B星是一颗1.251太阳质量的正常脉冲星,周期2.27秒。两颗子星相互环绕的轨道周期仅为2.4小时,轨道偏心率为0.088。这是人类发现的第一个也是至今唯一一个双脉冲星系统,为检验爱因斯坦广义相对论和探测引力波提供了极好的样本。
PSR J0737-3039艺术图(图片来源于卓瑞尔河岸天体物理中心)
参考资料1、汪洁,《星空的琴弦——天文学史话》,北京时代华文书局,2017.072、Pulsar,wikipedia,https://en.m.wikipedia.org/wiki/Pulsar

3、Schisler, Charles,An Independent 1967 Discovery of Pulsars . 40 YEARS OF PULSARS: Millisecond Pulsars, Magnetars and More,AIP Conference Proceedings,Volume 983, pp. 642-645 (2008)

4、APS NEWS(2006年2月)原载,萧如珀、杨信男译,本月物理史·1968年2月:宣布发现了脉冲星(Pulsars),物理双月刊,2008.02,30卷1期

5、希瑟·库珀、奈杰尔·享贝斯特著,萧耐园译,图解天文学史,湖南科学技术出版社,2010

6、向守平,天体物理概论,中国科学技术大学出版社,2008.11

 

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