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脉冲星的奇妙世界

原创
2019-11-09  大科技杂...

在茫茫宇宙中,什么天体的质量堪比太阳而直径却还比不上北京城区那么大?什么天体的旋转速度快得可以赛过陀螺?什么天体有胜过地球百万亿倍的超强磁场?它就是脉冲星。

         密度惊人的星体

脉冲星,顾名思义,就是能够发射脉冲的星体。它在迅速自转的同时,从两极发出射电波,波束有规律地不断扫过地球。这种波束在地球上的观察者看来就是按特定周期产生的脉冲。脉冲多呈单峰或双峰形状,少数具多峰形状。

脉冲星除了会发出脉冲之外,还具有以下几个特点:

脉冲星是超新星坍缩并磁化后形成的中子星,它们是由中子密集在一起的超高密度星体,所以体积一般很小,绝大多数的脉冲星半径往往仅有10公里左右,但质量却大得惊人,1立方厘米就能有10亿吨!这在一般人看来简直太不可思议了。

我们知道,地球每24小时自转一次,而大多数脉冲星每秒钟就能自转一次或多次,有些脉冲星的旋转速度甚至最高可达每秒100转!它们的自转速度比太阳系中转速最快的木星还快10万倍。例如金牛星座中著名的超新星在公元1045年爆发后,遗留下一片蟹状星云,它的中心就是一颗脉冲星,每秒钟可以自转约30次,所以发出射电波脉冲的周期为33毫秒。脉冲星的这种极高的旋转速度在它们最初形成时就产生了,因为脉冲星最初来源于一个较大的、旋转较慢的恒星,恒星崩溃后才形成一个微小的中子星,为了使角动量守衡,中子星的旋转速度就必须急剧增加。当脉冲星剧烈地自转时,它们所发出的光锥,就像明亮的灯塔扫过深远幽暗的宇宙空间,就好像茫茫大海中闪动的灯塔。经过几百年之后,这类脉冲星的转速才逐渐减缓,并且其脉冲能量逐渐衰弱。

在太阳系中,温度最高的星球是太阳,它的表面温度是6000度,中心温度是1500万度,而脉冲星的表面温度可达摄氏1000万度,是太阳表面温度的2000倍,而其中心温度竟高达60亿度!其灼热程度,是我们无论如何都无法想象的。

同白矮星一样,脉冲星是处于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的,只不过能够形成脉冲星的恒星,其质量更大罢了。根据科学家的计算,当老年恒星的质量大于十个太阳的质量时,它就有可能最后变为一颗脉冲星,而质量小于十个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。但是,脉冲星与白矮星的区别,决不只是质量的不同,它们的物质存在状态也是完全不同的。脉冲星由于本身的重力非常大,连电子在原子核外面也撑不住内缩的压力,被压缩到原子核中,与质子结合成中子。因为脉冲星的密度非常大,所以它们的压力也大得常人无法想象,可达1万亿亿个大气压。

脉冲星还具有辐射特别强的特点,是太阳的百万倍。

脉冲星在高速自转的过程中,带电粒子沿两磁极的磁力线高速射出,从而发出方向性极强的辐射,形成两个辐射锥。这种辐射锥扫到地球上,就是我们观测到的脉冲。这种脉冲辐射是高度偏振的。

此外,脉冲星像地球一样具有磁场,而且它们的磁场特别强,比地球的磁场强度大1万亿倍。

      曾被误认为外星人基地

1967年,当脉冲星的脉冲信号首次被发现时,曾被误认为是一种名叫“小绿人”的外星生命给我们地球发来的信号,所以发出这些脉冲的星体也曾被误以为是外星人生活的基地。之所以会有这种误会发生,是由于这种脉冲非常有规律,像是人为的,而不像是自然、随机的。

从第一颗脉冲星“小绿人”被发现后直到现在,世界各地天文台已陆续有1000多颗脉冲星被发现并被编入目录。据估计,在银河系中,可能有多达100万颗脉冲星。所有新发现的脉冲星的发射周期都以同样的方式运行,每隔一特定周期就发射短噪声脉冲,每颗脉冲星的发射周期都保持不变。“小绿人”每1.33秒发射一次脉冲,其它脉冲星的信号周期大致在1秒到几秒之间。最近已发现每秒可发射高达1000次脉冲的脉冲星。

目前人们虽然已经发现了许多颗脉冲星,但还不清楚它们的射电辐射是怎样产生的。美国科学家在设于波多黎各的“阿雷西博”望远镜上安装了特制仪器,分析蟹状星云中央的强射电源——蟹状星云的脉冲信号。他们发现蟹状星云脉冲星产生异常强的射电辐射,脉冲频率为每秒30次。精细分析表明,在蟹状星云的主脉冲中,存在着许多独立次级脉冲,周期仅有2纳秒。在这么短的时间里光也只能传播60厘米。因此,产生这些微小次级脉冲的结构,尺寸不会超过60厘米。可尽管对于蟹状星云的射电辐射观测和分析得这样充分,却仍是无法找到脉冲星射电辐射所产生的原因。

此外,对于脉冲星年龄的认定,也是比较困难的。

当一个脉冲星形成时,根据超新星爆炸和形成理论,天文学家们可以估算出它的“出生时间”,天文学上称之为脉冲星的“特征年龄”,一般认为这也是脉冲星的真实年龄。但是,有些科学家对此提出了质疑。他们用一种不同的方法研究编号为B1757-24的脉冲星,得出与之相关联的超新星残留物(一种热气的扩张云)至少有3.9万年的历史。脉冲星通常是被包含在这些残留物中的,所以它们的存在年代也应与残留物相同。但是有的天文学家通过其它方法计算出脉冲星的年龄大约有17万年,这意味着通过不同的方法计算出的“特征年龄”的误差在10倍以上。

鉴于这一情况,再加上一些超新星的能够证明年龄的残留物已经消失或弱化,使得天文学家不得不重新探索计算脉冲星年龄的方法。他们发现,脉冲星的自转速度会随着年龄的增加而变慢,所以可以根据脉冲星这一特点,通过测量它们发出的射线,就能够大约估计出它们的寿命。他们已初步得出结论,脉冲星的实际年龄要比以前所预计的大得多。

        天文学家的至爱

20世纪天文学的一系列发现和进展中,有4项被认为特别重要,它们是:星际分子、类星体、微波背景辐射和脉冲星,它们被誉为4大天文发现。英国天文学家修伊什就因为发现了脉冲星,而获得了1974年的诺贝尔物理学奖。

脉冲星具备了极高的密度、强引力场和电磁场等极端条件,是一种得天独厚的宇宙物理实验室,因此长期以来一直深受物理学家和天体物理学家的青睐。

脉冲星观测研究属高能物理学研究范畴,是当代天体物理学的前沿热点课题之一,利用它可以探测星际磁场和电子密度的空间分布,而且因为脉冲星是恒星死亡阶段超新星爆发的产物,所以它们也是研究恒星晚期演化最重要的天体。而且,对于脉冲星的研究,还解决了以下一系列实际问题。

引力波是广义相对论的重要推论之一,尽管爱因斯坦预言了引力波的存在,但却从未直接观察到引力波,所以,从上世纪至今,少数发达国家倾注大量的人力、物力、财力于引力波的实验探测。在宇宙间,能够发射充足的引力波的来源并不多,脉冲星便是这种少数的充足引力波来源之一。1974年,研究者发现有一颗脉冲星很特殊,它被确认是一个双星系统,后来被称为“修斯-泰勒”双星。从这颗双星中,科学家证明了爱因斯坦的广义相对论在这两个致密天体的强引力场中依然适用——这是首次在太阳系外验证了广义相对论。最关键的是,他们还证明了这两个天体绕转的轨道能正在衰减,衰减率与爱因斯坦的理论精确吻合,是引力波带走了轨道能。这是引力波存在的第一个证据。

宇宙伽马射线暴是天文学研究中一项长期悬而未决的问题之一,数十年以来科学家一直致力于弄清这种射线爆发的本质。而对脉冲星的研究将有助于揭开伽马射线暴之谜。最新的研究成果表明,宇宙伽马射线暴很可能与脉冲星有密切的关系。如一颗名为“赫明”的脉冲星年龄大约为35万岁,其体积并不大,直径在20公里-30公里之间,与地球的距离约500光年,它因放射明亮而强烈的伽马射线而闻名于世。也正是因为有了它,人们才认识到中子星是目前已知的唯一的伽马射线源,因为脉冲星的旋转速度使得在它们周围能够形成一种特殊的空间条件,在这种条件下它周围距离比较近的电子都能够获得接近极限的能量,因而,这些能量就变成了一个名副其实的伽马射线加工厂。

研究脉冲星对天文学家们来说还具有一项特别重要的意义,那就是能够对X射线源的探测提供重要的帮助。宇宙间的X射线源有很多,银河系内正常恒星的星冕都发射X射线,如太阳就是个强X射线源。银河系内的X射线源还来自黑洞、脉冲星等体积小而密度大的天体。所以,通过对脉冲星的研究,就能在X射线源方面的研究方面有所突破。

此外,脉冲星的研究也被应用到一些实际的用途上。

美国国防部门正致力于为卫星创建脉冲星网络,这是一项应用脉冲星的脉冲来实现自主导航和定位系统的研究和开发的计划。应用这一技术,就能够实现确定军事和通信卫星在太空中的确切位置和时间。

毫秒脉冲星是宇宙中最好的计时工具,每年减慢不到1/108秒。如研究人员发现一颗编号为PSRJ1909-3704的脉冲星,它像高速陀螺一样地旋转,每秒钟转动339周,非常有规律和准时,几乎没有什么误差,所以它成为迄今为止所发现的最为准确的“天体物理学时钟”。

脉冲星不仅能高效加速粒子,而且它们能使这些粒子拥有的能量可同宇宙射线中发现的最高能量相媲美,所以说脉冲星是一座超巨型“宇宙电站”。科学家正设想着能对这些“宇宙电站”的能量加以利用,如果这一设想得到实现,那对人类的贡献将是无以估量的。  

名词解释

角动量守恒:角动量亦称动量矩,是描述物体转动状态的量。角动量守恒亦称动量矩守恒,是物理学中重要定律之一。简单的说,角动量守恒是指任何物质系统在不受外力作用或所受外力作用之和为零时,它的总角动量保持不变。

脉冲:“电脉冲”的简称,是指电流或电压短暂的起伏变化。脉冲的形状有矩形、梯形、三角形、锯齿形等,常见的是矩形脉冲。脉冲所能达到的最大值称为“脉冲宽度”。形状、幅度和宽度是脉冲的主要参数。周期性重复的脉冲每秒出现的个数称为“脉冲频率”,其倒数称为“脉冲周期”。

偏振:横波的震动矢量(垂直与波的传播方向)偏于某些方向的现象。纵波只沿着波的方向振动,所以没有偏振。

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