變星與脈沖星(下）

文圖 中國科學院國家天文臺 郭紅鋒

小編的話：

親愛的小讀者，上期我們給大家介紹了有關變化的恒星——變星的知識，這期我們接著來談變星中重要的星體—脈沖星！

脈沖星的發現

脈沖星的發現要歸功于英國劍橋大學休伊什教授的女研究生喬伊斯.貝爾嚴謹細致和堅持不懈的探究精神。因為在貝爾之前，也曾有人遇到過這種信號，但卻被當做干擾信號而忽略啦，導致其與脈沖星的發現失之交臂！

1967年喬伊斯.貝爾使用3.7米的射電天線做研究時，需要從大量的記錄中搜集有用的數據。在辨識記錄數據的時候，她發現狐貍星座有一顆星發出一種非預期但有規律的脈沖信號，脈沖的周期非常短（1.337秒），但很穩定。起初她和她的導師休伊什教授都以為是外星人“小綠人”發來的聯絡信號（當時有科幻小說把外星人描寫為“小綠人”），但在接下來半年左右的時間里，貝爾又陸續發現了來自不同方向的數個同樣的脈沖信號，這不可能是相距那么遠的外星人同時向地球發同樣的信號。貝爾經過長期觀察、認真記錄和反復確認，最后她和導師都認為這是一類未知的天體，并根據這些未知天體的輻射特點，給它們取名叫做脈沖星(Pulsar)，后來證實這就是早期物理學家們預言過的中子星。

脈沖星的發現是天文學上的一件大事，被譽為20世紀60年代天文學的四大發現之一。休伊什教授因此獲得了1974年的諾貝爾物理學獎。遺憾的是貝爾女士沒有與她的教授一起分享諾獎的榮譽，但國際天文界一直在為她打抱不平，貝爾女士也終生在脈沖星領域從事研究工作，贏得了當時和后世科學家的一致敬仰。

脈沖星與中子星

早在20世紀30年代，中子星就被天體物理學家作為恒星演化的產物而提出。天文學研究表明，大質量恒星的演化末期有一個塌縮過程，恒星塌縮時巨大的壓力會把通常組成恒星的物質擠壓到一個極小的空間。由于角動量守恒，所以中子星塌縮后的轉速會極快，內部的磁場也會極強。

我們知道通常的物質由原子組成。由原子組成的物質空間類似于我們的太陽系，其中絕大多數的質量集中在原子核上。原子核本身體積是很小的，所以原子中有很多空間。中子星的物質就是壓縮到原子核尺度的物質結構。例如一顆典型的中子星直徑約20千米，相當于一座小城市大小，但是它的質量可以達到跟太陽質量一樣大。或者說，1立方厘米的中子星物質的質量就相當于地球上的一座小山那么重。理論預言的中子星密度之大，物理特性之極端，超乎人們的想象，所以在當時大多數人對這個假說持懷疑態度。

直到脈沖星被發現，科學家經過計算推斷，只有像中子星那樣體積小、密度大、質量大、旋轉快的星體才能發出那么快的脈沖頻率和那么高的脈沖強度。于是，科學家們相信脈沖星就是一種由中子組成的天體—中子星(見下圖模型)。

脈沖星發射的脈沖波束被人們叫做“燈塔效應”，脈沖的周期就是脈沖星的自轉周期（一般在毫秒量級）。想象一下，海上燈塔旋轉時，從窗口射出的燈光遠看就是一閃一閃的，脈沖星（中子星）的輻射也是這樣，它不像太陽那樣向四處發光，而只是在星體上相對著的兩個端點發出輻射。原因是中子星本身存在著極其強大的磁場，強磁場把輻射封閉起來，使中子星輻射只能沿著磁軸方向，從兩個磁極區出來，這兩個磁極區就是中子星發射脈沖的“窗口”。

脈沖星研究

自從1967年脈沖星被發現以來，全世界大大小小的射電望遠鏡已經發現了2000多顆脈沖星，這些脈沖星已經形成了國際脈沖星數據庫。但脈沖星是天體演化階段中的一環，科學家對脈沖星的內部結構和物理性質的進一步研究和確認需要更多脈沖星樣本。另外脈沖星的燈塔效應可以為人類未來的宇宙航行提供可靠的路標，脈沖星穩定而快速的脈沖輻射可以作為宇宙計時器。因此，脈沖星研究已經成為當代天文學研究的一個重要分支。

我國著名的“天眼”（2016年在我國貴州落成的500米口徑大射電望遠鏡，簡稱FAST），在脈沖星觀測和發現方面也有自己的優勢。截止2019年8月，FAST望遠鏡已經發現了93顆脈沖星，為國際脈沖星數據庫增加了數目可觀的樣本。FAST的靈敏度高，巡天效率高，短時間能找到更多的脈沖星，也可能觀測到其他射電望遠鏡觀測不到的更微弱（或者說更遙遠）的脈沖星信號，以及突發的脈沖信號。這將使國際脈沖星數據庫的樣本急劇增加，從而發現更多的脈沖星種類和數量。

最后，給同學們留下一個思考的問題：你能在自然界中找到其他類似的脈沖信號嗎？請發郵件到郵箱chinahou@bao.ac.cn，記得要寫清你的聯系信息（姓名、學校、電話等）哦，我們會按照你的要求及時回復的。