什么是脉冲星？

天文科普
20年10月6日
编辑

我是好人

什么是脉冲星？
天文学家曾经集中注意力于微波检测，他们发现它有两个重要优点：第一，它是整个电磁波谱中，除了可见光外唯一重要的区域，地球大气层对它是可透射的。在外部空间有一个微波窗口，就像光的窗口一样，就是说，我们不必使用火箭，在地球表面就能研究宇宙外部辐射。
第二，微波能穿透雾、霭和尘埃云，普通的光是无法穿透这些物质的。这是战争中在与雷达有关的事物中发现的，因为进入领空的飞机自认为被雾和云掩盖起来的时候，雷达仍能追踪到它们。同理，外部空间中可见光不能穿透的部分，微波却能穿透，我们就能研究我们看不到的微波了。因此，藏在永远遮挡我们视线的尘埃云中的银河系中心，最终可以通过它的微波辐射来研究。
在较靠近中心处，1956 年首次探测到的正是金星的微波辐射，它给天文学家提供了最初的线索，即行星是极热的。另外，火箭探测到金星能放射穿透云层并被下面的固态地面反射的微波光束。根据这些反射，除了用投入大气层的照相机拍摄到的小斑点，金星不能通过可见光观察，但是 1962 年初绘制了金星的外观。
雷达的反射也被用于确定金星和水星的自转速度。发现金星转动得比预料的（在错误方向上）要慢，而水星则比预料的转得快得多。1955年，美国天文学家肯尼斯·林·富兰克林发现木星发射大量的微波，当证明木星有一个巨大的且比地球磁场大得多的磁场时，1960 年此现象最终被解释了。在 20 世纪 70 年代，探测火箭被发射到超过木星的外空时，木星的磁场被进一步证实。
更多惊人的发现是由宇宙中太阳系外的射电天文学提供的。就像我在前面提过的，兹维基和奥本海默各自独立地推测出中子星的存在，中子星是只由中子组成的被高度压缩的星，是把一个普通规模的星压成直径为几千米的很小的球。随着形成巨蟹星云的超新星的爆炸而形成一颗中子星的可能性经美国天文学家赫伯特·弗立德曼考察被肯定。X 射线从天空的各个部位被探测出来了，并且一个放射源是巨蟹星云。放射源是巨蟹星云内的中子星的残余物吗？
1964 年 7 月，月球要从巨蟹星云前面经过，弗立德曼负责火箭进入太空的发射工作，该火箭将监视活动中 X 射线的产生。如果 X 射线来自一颗中子星，当月球从一个很小的物体前面经过的，X 射线的发射会马上被全部截断。当月球在巨蟹星云前面移动时，如果 X 射线的发射逐渐散开，那么放射源就是整个星云，而不是星云中的小物体。后者证明是事实，那些用此方法希望发现中子星的人们会感到失望。
然而，1964 年有了一个新的发现。来自太空某区域的无线电波好像出现剧烈地快速波动，仿佛到处都有“无线电闪烁”。英国天文学家安东尼·休维什设计了一架射电望远镜，它使非常详细地研究微波强度的快速变化成为可能。休维什负责建设散布在差不多超过 3 亩大的面积上的 2048 台独立的接收器，这些设备在 1967 年 7 月投入运行。
一个月内，一位英国研究生约斯林·贝尔，探测到来自天琴座α星（织女一）与天摩座α星（牛郎星）之间中途某地的爆发微波。爆发短暂得令人惊奇，只持续了 1/30 秒。更令人惊奇的是，紧接着的爆炸存在着明显的规律性。事实上，它们是那么有规律以至于能够计算出其周期是一百万分之一秒。到 1968 年 2 月前，当休维什公布此发现时，他又找出另外三个这样的射电闪烁，从那时起发现了更多的射电闪烁。
自然，首先是没有办法识别脉冲体现的是什么。休维什只能把它看作是一颗震动的星，每次震动都发出爆发能量。它就马上被缩写成脉冲星，通过它了解了新的物体。
所有脉冲星都具有极有规律的无线电脉冲特性，但每颗脉冲星都有不同的精确的周期。一颗脉冲星的周期是 3.7 秒。在 1968 年 9 月，天文学家测出巨蟹星云中的一颗脉冲星的周期仅为 0.033089 秒，脉冲的产生是 1 秒 30 次。从那以后，又有几个脉冲星被发现，它们一秒震动几百次。
问题是，是什么产生如此短暂又具有如此奇特的规律性的电讯呢？某个物体一定在转动，或自转，或产生脉冲，而且随着每次转动、自转，或产生脉冲，它还必定放出一次微波爆发。然而，为了做到这些，它必须在大约几秒内就得转动、自转或产生脉动一次，或者甚至在一秒中发生几百次，这就要求此物体具有很小的体积，而且具有很强的重力场。例如，脉冲星不可能是白矮星，因为白矮星太大而它的重力场又太弱。如果它们被设想为以足够快的速度被迫转动，自转，或产生脉冲，那它们将会把自己撕裂。
美籍奥地利天文学家托马斯·戈尔德几乎马上提出一颗脉冲星一定是一颗自转中子星。一颗中子星小得足够在差不多顷刻间就能产生转动、自转或产生脉冲，而且在自转时，它有一个足够强的表面重力使它保持为一个整体。这已成为理论，即一颗中子星有一个带磁极的强磁场，磁极不一定就是自转轴，电子被中子星的引力吸附得那么紧密，以至电子只能从磁极逃逸出去。当电子被释放出去时，它们以微波的形式失去能量。当中子星自转时，如果微波碰巧在朝我们的方向上被发射出来，那么由于每次的自转，我们收到一个或两个爆发波。
戈尔德指出，当微波被发射出来时，中子星将失去自转能量，它的周期也将缓慢变长。这个假设适用于各种脉冲星，并发现了增加量。尤其是巨蟹星云脉冲星的周期以每天 364.8 亿万分之一秒的速度变长。
这样，毕竟在巨蟹星云内有一颗中子星。但巨蟹星云的其他部分也发射 X 射线，只有 5％的 X 射线是来自脉冲星的，它把弗立德曼引入歧途。 1969 年，天文学家发现，巨蟹星云的脉冲星随着每次转动都发射较短光信号。它在 1 秒内断断续续地闪烁 30 次，所以被称为光脉冲星。
第一颗真正发射时间短暂的脉冲星是在 1982 年被发现的。它 1 秒钟发射 642 次无线脉冲。它可能比大多数脉冲星小，或许直径不超过 5 公里，质量是太阳的 2—3 倍，其他快发射的脉冲星也被发现了。
有时，一颗脉冲星突然很轻微地加快周期，那么它会再继续趋向变慢的。一些天文学家猜测这种频率突增现象可能是一种星震的结果，使中子星内部的质量分布发生转移；或者可能是由于大物体插入中子星内，把它自己的动量加到中子星上而引起的。