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形形色色的脉冲星
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Robert Irion 文 Shea 译 |
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在被天文学家发现将近40年之后，这些宇宙灯塔依然散发着无穷的魅力。 1967年，脉冲星在天文学界的首次亮相并没有人们想象的那样充满了神奇。当时发现它们的射电望远镜并不是类似现在使用的碟形天线，而是竖在英国4.5英亩农田中的2048根细长的天线。第一个信号在8月份被发现，是几千米长的记录纸带上的一个特别的小突起。这个闪烁的信号困扰了剑桥大学的研究小组几个月，他们称之为LGM-1，意思是“小绿人”。  到12月份，一切都清楚了。这些脉冲信号以极高的精度每1.33731109秒出现一次，来自一个奇异的致密天体。由射电天文学家安东尼·修伊什（Antony Hewish）领导的发现小组当时认为，这些脉冲信号来自“白矮星或者中子星的稳定振荡”。1968年的这一发现证实了天体物理学家沃尔特·巴德（Walter Baade）、弗里兹·茨维奇（Fritz Zwicky）和勒夫·朗道（Lev Landau）在20世纪30年代所预言的一种天体——中子星，中子星是大质量恒星超新星爆发的产物，直径20千米，具有极高的密度。 圣像中的蟹状星云脉冲星 1974年修伊什因此分享了当年的诺贝尔物理学奖，但是许多天文学家认为在这一发现中起到核心作用的、修伊什的女研究生杰奎琳·贝尔·布奈尔（Jocelyn Bell Burnell）也应该获得这一荣誉。从那以后，一系列的新发现使得脉冲星成为了高能天体物理学家的宠儿。“脉冲星每隔几年就会给我们带来惊人而不可预料的新发现，”普林斯顿大学的天体物理学家大卫·奈斯（David Nice）说。 在已知的1500颗脉冲星中，天文学家只目睹了其中一颗的诞生，它就是著名的蟹状星云脉冲星。1054年7月4日中国天文学家第一次记录下了蟹状星云超新星，他们称之为“客星”。今天，蟹状星云脉冲星巨大的能量输出点亮了整个膨胀中的超新星遗迹。 1968年绿堤射电望远镜和阿雷西博射电望远镜发现了蟹状星云脉冲星。天文学家为它的高速自转感到惊讶，它每秒钟旋转30圈。更令人惊讶的是它的自转周期有明显的变化率，每天减少1/36,500,000,000秒。 这一观测结果证实了康奈尔大学理论天体物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）的大胆猜想。戈尔德认为，脉冲星是高速自转的中子星，由于强磁场的作用它们的自转会逐渐减慢。脉冲星减速损失的能量会点亮整个星云。当脉冲星自转时，能量集中在光锥中向外传播，就像灯塔扫过宇宙空间。戈尔德模型中的绝大部分细节至今仍是正确的。 因此蟹状星云脉冲星很快就上升到了极高的地位。但事实上，它却是比较特殊的。蟹状星云脉冲星非常亮，大部分能量集中在射电和X射线波段。另外，它也使得科学家相信在其他超新星遗迹中可以找到脉冲星，但事与愿违。“现在大家都相信存在着另一类脉冲星，它们与经典脉冲星截然不同，”哈佛史密松天体物理中心的天体物理学家帕特里克·斯雷（Patrick Slane）说。 检验广义相对论 在下一场脉冲星的庆典中，另一个研究生起到了核心作用。这次诺贝尔奖委员会授予了这个研究生以及他导师1993年的诺贝尔物理学奖。事情起因于1974年阿雷西博天文台启动了一项新的脉冲星搜寻计划。罗素·修斯（Russell Hulse）当时是麻萨诸塞州大学天文学家约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）的研究生，他的任务是设计一种算法以比先前高出10倍的灵敏度寻找脉冲星。其中有一颗脉冲星PSR B1913+16很特殊，它的计时观测曲线一直在变化。“我当时的反应并不是‘这是一个大发现’，而是‘有什么地方错了？’，”现在是普林斯顿等离子体物理实验室核聚变科学家得修斯回忆说，“我那时感到很沮丧。” 但是当修斯把这颗脉冲星放到一条以8小时绕另一个天体转动的轨道上时，沮丧变成了喜悦。泰勒立即赶到了阿雷西博，确认它确实是一个双星系统，后来被称为“修斯-泰勒”双星。脉冲星的轨道显示它的伴星是一颗不发出脉冲的中子星。泰勒与现在卡莱登大学的天体物理学家吉尔·温斯伯格（Joel Weisberg）以及其他科学家合作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，这个小组证明这两个天体绕转的轨道正在衰减，衰减率与爱因斯坦的理论精确吻合。引力波带走了轨道能。“这一证明是间接的，就像你知道无线电发射机在消耗能量，因此你推测有无线电波一样，”修斯说，“但是这是引力波存在的第一个证据。” 狂乱的自转 加州大学伯克利分校的天文学家唐纳德·贝克（Donald Backer）说，到20世纪70年代后期，脉冲星的研究就趋于平淡了。而贝克的小组在1982年使用阿雷西博发现PSR B1937+21正是时候，这颗脉冲星每秒钟自转642次，如此高的速度令人瞠目结舌。同样又是一个研究生，现在加州理工学院的施林尼万斯·库卡尼（Shrinivas Kulkarni）在这一发现中起到了关键的作用。  [图片说明]：派冲星自转轴和磁轴并不重合。版权：CSIRO。 这颗“毫秒脉冲星”一石激起千层浪。它位于一个超新星遗迹附近，还有它的高速自转——其赤道上的速度超过1/10光速——使得它看上去像是一颗刚刚诞生的中子星。哥伦比亚大学的天体物理学家马林·路德曼（Malvin Ruderman）、雅各布·沙汉（Jacob Shaham）及其同事认为这是一颗年老的脉冲星，只是通过吸积伴星的物质获得了新生。掉入中子星的气体会把中子星的自转加速到近乎狂乱的地步，就象是被持续加速的旋转木马。 自那以后，天文学家发现了将近100颗这样“重生”的脉冲星。其中一些是孤立的，而另一些则拥有一颗伴星。这颗伴星要么正在被吸积，要么就正在被脉冲星的辐射蒸发。例如，1988年由空间望远镜研究所的天文学家安德鲁·弗里奇特（Andrew Fruchter）及其合作者所发现的“黑寡妇”脉冲星也许正在蒸发它的低质量伴星。 奇怪的是，还没有找到比PSR B1937+21自转更快的脉冲星。“看起来自转加速机制无法把中子星的自转加速到远小于1.5毫秒，”澳大利亚国立巨型望远镜的天文学家理查德·曼彻斯特（Richard Manchester）说。更高的自转速度可能会引发中子星的引力不稳定性，进而通过引力波辐射降低旋转的速度。 来自行星的惊喜 毫秒脉冲星是宇宙中最好的计时工具，每年减慢不到1/1,000,000,000秒。“它们就像是完美的飞轮，几乎和爱因斯坦的思想实验一样的简单，”加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家史蒂芬·索赛特（Stephen Thorsett）说。如此高的计时精度在1992年又导致了另一个和脉冲星有关的惊人发现——第一个太阳系外的行星系统。 “脉冲星行星”浮出水面源于宾夕法尼亚州立大学天体物理学家亚历山大·沃尔兹刚（Alexander Wolszczan）和国家射电天文台的射电天文学家戴尔·弗雷（Dale Frail）在PSR B1257+12的脉冲到达时刻中发现了微小的起伏。他们的解释是这是由两颗比地球稍大的行星所造成的。 这一解释曾饱受争议，但沃尔兹刚认为它带来的影响更为深远。“在短期的怀疑之后，大多数人认为中子星周围行星的存在意味着行星的形成比预想的要普遍，”他说。尽管已经发现了100多颗太阳系外行星，但是PSR B1257+12仍然是唯一一个拥有行星系统的中子星。 这颗脉冲星还有另一个特殊的地方，对它脉冲信号的进一步分析发现了第三颗行星，它比另两颗行星更靠近脉冲星，而且质量要小得多。沃尔兹刚说，这三颗行星的质量和相对位置与“内太阳系惊人的相似”。 双重收获 最近一个引人注目的发现已被人期待许久——轨道密近的双中子星。这个系统由澳大利亚的帕克斯射电望远镜所发现，于1月份公布，它将对广义相对论进行比“修斯-泰勒”双星更为苛刻的检验。 而且天体物理学家也很难解释这两颗中子星之间的相互作用。来自高速自转脉冲星的强烈星风在慢速自转的脉冲星周围形成了一个泪滴状的激波。每隔2.4小时其中一个脉冲星会运动到另一颗的背后，借此天文学家可以研究激波形成的过程。 加州大学伯克利分校的理论天体物理学家说，一种解释是，在高速自转的脉冲星表面有着比预计高出10万到100万倍的带电气体。“尽管在物理上这让人难以相信，但它们靠得实在太近了，”他说。 随着寻找新脉冲星的计划在继续，天文学家们期待着新的发现，包括围绕黑洞的中子星和亚毫秒脉冲星。贝克说：“从这一领域的历史来看，没有找不到的，只有想不到的。” 在被发现了37年之后，中子星的一些问题依然没有被解决。为什么几乎所有中子星的质量都差不多是1.35个太阳质量？在超新星爆发中中子星是怎样被加速到每秒100千米的？是什么使脉冲星变成磁星的？带着这些问题，更多的脉冲星研究计划将会进行。 |
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出自：Science
发布日期：2004-04-23
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2001-2009 火流星工作组制作
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