海外文摘——在磁场中逝去




在磁场中逝去
Robert Irion　文　　Shea　译
	银河系中最强大、最奇特的磁场会使得脉冲星消亡，同时它们也会撕裂脉冲星的表面破壳而出。　　突变就像是生命中的调味料，但是绝大多数的突变体都会在幼年死去。在天体物理中，这一生物学规律依然成立。太空中最奇特的突变造就了一些超高能但却短命的脉冲星，它们被称为磁星。　　与脉冲星类似，磁星是诞生于大质量恒星超新星爆发中心的中子星。但在磁星的诞生过程中发生了一些不同寻常的事。一种尚不知晓的机制——也许是坍缩核心的超高速自转——使得每一颗磁星都具有了超强的磁场。这一磁场可以达到普通脉冲星的1000倍，是已知最强的。　　当磁场逐渐减弱时，它会冲破中子星脆弱的壳层，引发强烈的γ射线和X射线暴发。但是这些耀眼的暴发是具有毁灭性的，磁场就像一个制动器会使得磁星在几千年的时间内停止转动，并且短路它的转动能。与之形成鲜明对比的是，一颗普通的脉冲星其转动能驱动的射电辐射可以持续几百万年。　　天体物理学家已经发现了11颗磁星，但是由于它们短暂的寿命和零星的暴发注定我们无法发现更多的磁星。“在银河系中可能有几十万颗左右没有被发现也无法被发现的磁星，”NASA马歇尔航天中心（MSFC）的X射线天文学家克里萨·科弗里奥托（Chryssa Kouveliotou）说。的确，一些人也认为磁星也许根本就不是突变体，而是超新星的普遍产物。“大部分的中子星十分可能是磁星而不是射电脉冲星，”德克萨斯州大学的天体物理学家罗伯特·邓肯（Robert Duncan）说。 [图片说明]：被极度磁化的中子星被称为磁星，极强的磁场会产生剧烈的暴发。版权：CAMERON SLAYDEN。千亿倍的核磁共振扫描仪　　这是一个大胆的观点，但是邓肯和加拿大理论天体物理研究所的克里斯托弗·汤普森（Christopher Thompson）曾经就改变过怀疑者的观点。1987年他们首次计算了新诞生中子星的磁场强度，当时邓肯是普林斯顿大学的博士后，而汤普森是一个研究生。但是他们求解出的磁场强度竟高达惊人的10¹⁵高斯，以至于他们也为此困惑了好几年。　　作为比较，地球的磁场大约是0.6高斯。医学核磁共振扫描仪的磁场为10,000高斯。由磁场对自转的制动效应推测射电脉冲星的磁场为10¹²高斯。尽管磁场非常强，但射电脉冲星的主要能源来自它的自转而不是磁场。磁场的作用就像是传送带，用来传送由转动能产生的辐射。没有人预料到磁场会升高到这么高的强度。　　但是汤普森和邓肯认为超强的磁场可以解释一些神秘的现象。特别地，天体物理学家曾经被软γ射线再现源（SGR）所困扰。这些尚未明确的天体会产生不定期的软γ射线暴发，然后又恢复平静。1979年，邻近星系中的一个软γ射线再现源产生了一次巨大的暴发，其在0.2秒之内所释放的能量相当于太阳在10000年内所释放能量的总和。这个源很靠近一个新近的超新星遗迹。但是这个暴发每8秒钟就会出现一次起伏，并且逐渐减弱，这与脉冲星相比要缓慢得多。　　理论家推测这些暴发来自一颗慢速自转的中子星，但它在诞生时却有着高得惊人的自转速度。亚利桑那大学的天体物理学家亚当·布罗斯（Adam Burrows）和纽约州立大学的詹姆斯·莱提莫（James Lattimer）证明在中子星诞生的最初10秒钟内它的高温核流体每秒钟会对流100次。如果那时中子星的自转为每秒100-1000圈，那么汤普森和邓肯的计算表明，这会引发剧烈的发电机效应——一种自我维持的强磁场产生机制，产生10¹⁵高斯或者更强的磁场。　　一旦磁场充满了中子星高密度的超流体，它就很难向外扩散。但是，磁场和由其产生的电流总是会尽量达到能量较低的状态。“磁场在致密星内部会高度扭曲，”汤普森解释说，“最终抵抗扭曲而伸展的磁场可以驱动软γ射线再现源暴发。”这每一次的磁场转变都会在中子星固态壳层中产生裂缝。在壳层破裂的临界点，产生的裂缝可以达到1千米。一旦表面出现裂缝，其上方的磁场就会进入一个全新的位置。这些剧烈的活动会沿着磁力线加速粒子产生γ射线和X射线。　　1992年邓肯和汤普森发表了他们的理论，并且用“磁星”这个更为形象的词取代了最初的“暴发星”这个名称。3年后，他们发现暴发能量会以持续几分钟的火球的形式出现，日后也确实观测到了这一暴发形态。　　然而，他们的理论对大多数人而言太虚幻了。即使到了1998年1月，邓肯还是被安排在最后一个在美国天文学会上发言——当时在他前面发言的是一个提出改良相对论的人。　　这一年的晚些时候，观测赢得了胜利。首先，由科弗里奥托领导的小组使用NASA罗希X射线时变探测器（RXTE）观测到了一个软γ射线再现源7.47秒的周期暴发。周期性的起伏仅仅出现在明亮的暴发阶段，而在其他时间它并不发出类似脉冲星的辐射。这个天体的转动周期以每世纪0.26秒的速度减小——这一效应只能源于10¹⁵高斯强磁场的制动作用。　　之后在1998年8月27日，一波比1979年太阳耀斑更强的γ射线和X射线横扫太阳系。它的源头是一个银河系内的软γ射线再现源。尽管距离遥远，但是高能辐射足以电离地球的上层大气影响无线电传送。暴发周期为5.16秒。科弗里奥托小组使用RXTE的研究显示，这个软γ射线再现源的自转存在着类似磁星的减速现象。 [图片说明]：在大麦哲伦星系中的超新星遗迹N49中可能由一颗磁星，其在1979年产生了γ射线暴。版权：NASA和THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)。　　随着这些发现，磁星进入了科学主流的行列。2003年邓肯、汤普森和科弗里奥托被授予了美国天文学会高能天体物理部最高奖布鲁诺·罗希（Bruno Rossi）奖。这与早年的境遇大相径庭，邓肯说：“确实存在着反对意见，大部分人也认为它疯狂。但我把它视为科学发展的正常一部分。” 暂现源与核弹　　近几年来，天文学家拓宽了磁星的范围。现在大多数天文学家认为发出X射线脉冲而不是射电脉冲辐射的反常X射线脉冲星（AXP）也是磁星的一员。麦克吉尔大学的天文学家维多利亚·卡斯皮（Victoria Kaspi）及其同事发现尽管没有软γ射线再现源剧烈，但是反常X射线脉冲星也能产生猛烈的暴发。　　有意思的是，11个已知的软γ射线再现源和反常X射线脉冲星的自转周期都在5-12秒之间。磁场会严重的阻制磁星的自转，使其在几个世纪内从毫秒降到秒的量级——如此短的间隔使得天文学家只有靠运气才能看到高速自转的磁星。“如果它们活动的时间超过几千年的话，我们就能发现自转周期几十秒的磁星，但是这做不到，”马歇尔航天中心的天文学家彼得·伍兹（Peter Woods）说，“因此看起来它在X射线波段明亮的时间并不长。” 　　两份公布在《天体物理学报》上的研究显示磁星可能比预计的还要普遍。在一份报告中，由伍兹领导的一个天文学家小组在2002年6月发现了强度出现4小时波动随即又消失的一颗反常X射线脉冲星。伍兹说，由于监测天空的望远镜的灵敏度还不够高，因此银河系中类似的暴发还无法被观测到。在另一项研究中，由戈达德航天中心的阿拉·亚伯拉罕（Alaa Ibrahim）领导的天文学家小组发现了一颗“暂现”磁星。它在90年代由于暗弱而未引起注意，但在2003年早期却增亮了100倍。　　在宁静状态，这些磁星会被当成超新星遗迹中的暗弱X射线源，被称为中央致密天体。而且它们和一类被称为“暗弱孤立中子星”的神秘天体很类似。参与这两项研究的卡斯皮说，磁星家族应该包括这些分支。“暗弱孤立中子星可能是尚有余热的死亡磁星，”她说，“我认为中子星有一半生来就是磁星。”但是这一想法在被别人接受之前还需要更多的统计观测以及对磁场强度的测定。　　在理论上，一些小组正在试图将磁星和宇宙中最剧烈的暴发γ射线暴联系起来。现在许多天体物理学家认为最有可能触发长时间γ射线暴的是形成黑洞的超新星爆发。但是麦克吉尔大学的天体物理学家马克西姆·柳提科夫（Maxim Lyutikov）说，来自磁星的磁场星风是更合理的驱动力。“磁能的耗散是非常高效的，”他说。与之形成对比的是，黑洞附近暴发的物质会在强烈的激波中损失太多的能量。　　在有关的研究中，由加州大学伯克利分校哈勃博士后特德·汤普森（Todd Thompson）提出的模型认为，新诞生的磁星能以接近光速的速度沿着磁场抛射物质。这会带走巨大的动能，如果一开始磁星每秒中转1000圈，那么在10秒钟之后就会降到每秒300圈。自转减速会释放出磁星90%的能量。汤普森认为这些能量可以推动超高能的超新星暴发，或者在合适的条件下触发γ射线暴。　　汤普森补充说，自然界最重的元素也可以形成于这个湍流之中。目前天体物理学家还没有找到发生大量中子高速轰击形成重原子核的“r-过程”的地点。超强的磁场也许在磁星附近维系住了高温的中子和质子使得它们合成铀以及周期表中更重的元素。　　支持磁星所有理论的邓肯很喜欢这个想法。“有可能在磁星风中合成了所有比铋更重的元素，”他说，“如果这是真的，核弹和反应堆都是建筑在磁星之上的。”超新星为我们提供了血液中的铁，公平地讲磁星也参与到了其中。
出自：Science 发布日期：2004-04-23

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