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【脉冲星】脉冲星:脉冲星-概述,脉冲星-发现

日期:2017-05-04 12:25
脉冲星,是高速自转着的中子星,由富含中子的物质组成,体积非常微小,密度非常大。它不断发射出非常有规律的无线电脉冲,是恒星在生命演化的末期发生超新星爆炸而成。可以说脉冲星就像是宇宙中的灯塔。
脉冲星_脉冲星 -概述
脉冲星 脉冲星:脉冲星-概述,脉冲星-发现
蟹状星云脉冲星的X射线/可见光波段合成图像
脉冲星(Pulsar),又称波霎,是中子星的1种,为会周期性发射脉冲信号的星体。
中子星是1种几乎整体均由中子组成的极端致密的恒星,其直径仅20公里,甚至更小些。当超新星激烈爆发后,其内核向内坍缩,即形成为中子星。恒星表面处的中子衰变成质子和电子,这些荷电粒子从恒星表面释放出来,即进入环绕恒星并随恒星自转的强磁场之中。这些粒子被加速到接近光速,便产生称为同步加速辐射的电磁辐射。这种辐射从脉冲星的磁极处以强射束形式被释放出去。磁极并不和自转极吻合一致,因此,脉冲星的自转致使射束旋转摆动。每当脉冲星自转一星期,射束便会有规则地扫过地球,这时地面望远镜就可以检测出一系列间断的脉冲。
迄今已观测到的最慢的脉冲星的周期间隔为4秒,而1982年发现的最快的脉冲星的周期是0.00155秒,即1.55毫秒,比已知的任何1个脉冲星的周期都短了许多。这个毫秒脉冲星每秒自旋642圈,已经接近脉冲星自旋速度的极限。因为1个中子星只要自旋速度为此速度的4倍,就会作为其赤道带离心力造成的结果而飞散崩溃,哪怕其引力十分强大,可使其逃逸速度达到光速的一半。精确的射电脉冲星计时表明,它们的自转正在很缓慢地减速,其典型速率是每年减慢一百万分之一秒。根据1个脉冲星速度变化,可以计算出它的年纪。
脉冲星 脉冲星:脉冲星-概述,脉冲星-发现
脉冲星即高速自转着的中子星-模型图
脉冲星_脉冲星 -发现
脉冲星 脉冲星:脉冲星-概述,脉冲星-发现
脉冲星1967年10月,剑桥大学卡文迪许实验室(CavendishLaboratory)的安东尼·休伊什(AntonyHewish)教授的研究生——24岁的乔丝琳·贝尔(JocelynBellBurnell)检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号,它们的周期十分稳定,为1.337秒。起初她以为这是外星人“小绿人”(LGM)发来的信号,但在接下来不到半年的时间里,又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是1类新的天体,并把它命名为“脉冲星”。
 
脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道,并称为20世纪60年代天文学“4大发现”。安东尼·休伊什教授本人也因脉冲星的发现而荣获1974年的诺贝尔物理学奖,尽管人们对贝尔小姐未能获奖而颇有微词。
 
经过几位天文学家一年的努力,终于证实,脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。蟹状星云脉冲星的X射线/可见光波段合成图像正如地球有磁场一样,恒星也有磁场;也正如地球在自转一样,恒星也都在自转着;还跟地球一样,恒星的磁场方向不一定跟自转轴在同一直线上。这样,每当恒星自转一星期,它的磁场就会在空间划1个圆,而且可能扫过地球一次。但如果要发出像脉冲星那样的射电信号,需要很强的磁场。而只有体积越小、质量越大的恒星,它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星。
另一方面,当恒星体积越大、质量越大,它的自转周期就越长。我们很熟悉的地球自转一星期要二十四小时。而脉冲星的自转周期竟然小到0.0014秒!要达到这个速度,连白矮星都不行。这同样说明,只有高速旋转的中子星,才可能扮演脉冲星的角色。
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白矮星-内部结构模型图
脉冲星_脉冲星 -命名规则
脉冲星的命名由脉冲星英文pulsar的缩写PSR加上其赤经赤纬坐标组成。如PSRB1937+21,1937是指该脉冲星位于赤经19h37m,+21是指其位于赤纬+21°,B意味着赤经赤纬值是归算到历元1950年的值。此外,J则表示赤经赤纬值是归算到历元2000年的值。
脉冲星_脉冲星 -主要特征
脉冲星 脉冲星:脉冲星-概述,脉冲星-发现
脉冲星
1、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,它们的自转速度比太阳系中转速最快的木星还快10万倍。而且奇妙的是,这种自转变化非常微小,如毫秒脉冲星每年减慢不到1/108 秒。因此它被认为是宇宙中最好的计时工具,例如一颗编号为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,几乎没有误差,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”。除此之外,它有着难以想象的体积、密度、温度、压强、引力和磁场强度等。
2、体积小、密度极大:脉冲星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,这个半径仅仅是地球半径的千分之一多一点。形象地说,1个地球可以容纳下2.6亿颗脉冲星,而太阳可以容纳下130万个地球。但是脉冲星的质量却是太阳质量的1.5—2.5倍,所以它的密度极高,1立方厘米就有10亿吨。
3、温度极高、压强极大:太阳系中,温度最高的星球是太阳,它的表面温度为6000度,中心温度达1500万度。脉冲星的表面温度可达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。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令常人无法想象,在这个高压世界中,中心压力可达1万亿亿大气压,比太阳高3亿亿倍。
4、强引力作用:脉冲星是处于演化后期的恒星,是在老年恒星的中心形成的,而能够形成脉冲星的恒星,其质量一般较大。据科学家计算,当老年恒星的质量大于10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10个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。尽管脉冲星只相当于地球体积的一小部分,但他的引力场却强过地球的10亿倍。5、强磁场:地球有磁场,大约为0.6高斯。太阳有磁场,其普遍磁场大约为几高斯,黑子区域的磁场比较强,可达几千高斯。有些磁场比较强的恒星,可达几千到几万高斯。在地球上的实验室里能制造出磁场的最高纪录是1千万高斯(1高斯=10-4特斯拉)。那么中子星的磁场情况怎么样呢,大多数脉冲星具有约1012高斯的磁场,它是地球的1000亿倍,是太阳磁场强度的1亿倍到100亿倍。
脉冲星_脉冲星 -内部状况
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速度最快的脉冲星
脉冲星4%的能量损失是由重力波喷射造成的。这项期待已久的研究分析具有里程碑意义,这是科学家第一次直接探测到脉冲星内部状况。
脉冲星是快速旋转的中子星,螃蟹云翳距离地球6500光年,位于金牛星座,形成于1054年的一次壮观超新星爆炸。每年有三个星期的时间在白天中可观测它的存在,同时在夜晚会暂时比满月更明亮一些。中国古代书籍中曾提及螃蟹云翳作为“寄宿恒星(guest star)”。目前,在螃蟹云翳中心位置残留着以难以置信速度旋转的中子星,每当它旋转一星期时,会释放两道窄射电波射向地球。这种像灯塔似的释放射电脉冲的中子星也被命名为“脉冲星”。
仅10公里半径的脉冲星却比太阳的质量更大,差不多这个球形结构都是由中子构成。重力波在空间和时空结构中产生波动,这是爱因斯坦广义相对论的1个重要推论。重力波喷射是螃蟹云翳中脉冲星能量损失的物理机制假想之一,它的出现伴随着脉冲星旋转速度逐渐减缓。迈克尔·兰德瑞说,“我们的研究分析结果显示不超过4%的脉冲星能量损失是由于重力波辐射造成的,其他的能量损失是由于其他物理机制造成的,比如:脉冲星快速旋转磁场和进入该云翳的高速率粒子喷射共同作用形成的电磁辐射。”
科学家称这项研究非常重要,它提供了脉冲星和其结构的信息。如果1个完全平滑的脉冲星旋转时是不会产生重力波的,LIGO之所以探测到螃蟹云翳中的脉冲星产生重力波,是由于该脉冲星外形残缺几米,并不是十分的光滑球体形状。通常这种残缺现象出现在年轻的脉冲星上,比如:螃蟹云翳中的脉冲星,其外壳仍是半固体状态;或者是具有巨大磁场的脉冲星。
宾夕法尼亚州物理学家本·欧文称,LIGO让我们更深了解到脉冲星表面之下实质性状态,天文学家看到螃蟹脉冲星内部大量的电磁波(射电波、X射线等),但是脉冲星非常密集,甚至X射线不能抵达其内部,仅能到达脉冲星表面。但是重力波可以抵达脉冲星内部,这是科学家首次直接观测脉冲星内部。
脉冲星_脉冲星 -观测特点
脉冲星 脉冲星:脉冲星-概述,脉冲星-发现
脉冲星辐射束示意图.
1、周期性地发射短促的脉冲辐射。
2、脉冲周期很短。周期最短的为0.03秒,最长的为4.3秒,周期通常有非常缓慢的变长现象。大约每年增长百万分之一秒到千亿分之一秒。
3、脉冲辐射多呈单峰或双峰形状,有的甚至多到5个峰。每个脉冲星的个别脉冲在脉冲形状和强度上会有变化,但几百个脉冲累加得到的平均脉冲轮廓(在脉冲期间辐射能量随时间的变化曲线)是稳定的。每个脉冲星有它特有的平均脉冲轮廓。附图分别绘出脉冲星 PSR0833-45、 PSR1133+16、PSR2045-16和PSR0525+21的平均脉冲轮廓。
4、脉冲辐射持续时间约为周期的百分之一到十分之几。
5、脉冲辐射是高度的线偏振或椭圆偏振。偏振度和偏振矢量的方向在脉冲期间通常是变化的。
6、绝大多数脉冲星只是在射电波段发出辐射。在射电波段的频谱分布一般呈简单的幂律谱,也有呈现为二段幂律谱合成的频谱。频谱指数通常是在3~1的范围。
7、有些脉冲星的个别脉冲会出现规则的向前或向后的漂移现象,有些脉冲星有时会呈现短缺脉冲现象。
8、个别脉冲星会有周期突然变化的现象。例如,近年来PSR0833-45的脉冲周期发生过三次突然变化(见脉冲星自转突快),PSR0531+21也有类似现象。
9、已发现的脉冲星都是银河系内的天体,其距离在100秒差距到2万秒差距之间。大多分布在银道面两旁,有向银道面聚集的倾向。
脉冲星_脉冲星 -与中子星
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蟹状星云中心的脉冲星(右图中心的小白点)
早在1932年,英国物理学家查德威克发现了中子之后不久,前苏联著名物理学家郎道就大胆提出预言:在宇宙中可能存在基本上由中子组成的星体,称之为中子星。不久,又有天文学家提出超新星爆发可以产生中子星,甚至指出在蟹状星云中有一颗中子星。他们的研究指出,在恒星的核燃料耗尽以后,恒星中心部分的坍缩引起超新星爆发时,向中心坍缩的质量超过1.4太阳质量,而又小于2.0个太阳质量时,自由电子的压力不能抵抗强大的引力而继续坍缩,导致原子核破裂,电子和质子作用变成中子,形成中子的海洋,最后因为中子所产生的压力可以抵抗引力而使坍缩停止,从而形成稳定的中子星。
1967年,英国剑桥大学的休伊什和他的研究生乔丝琳?贝尔小姐在研究射电源的行星际闪烁时偶然发现了1个来自宇宙空间的周期为1.33730秒的射电脉冲信号,后来把发出这类信号的这类天体称为脉冲星。
1982年发现毫秒脉冲星,周期非常短,仅有1.56毫秒。脉冲星的周期是自转引起的,周期1.56毫秒表明每秒钟要自转600多圈,比陀螺还快得多。只有中子星才可能转得这么快,科学家确认脉冲星就是中子星。
脉冲星的周期特别稳定,特别准确,可以和地球上的原子钟媲美。在日常生活中都需要钟表,我们不会因为一天之中钟表快了或慢了几秒钟而伤脑筋。但是在一些尖端科学中,如发射人造卫星就是差千分之一秒也不行。发明了原子钟以后,时间就准确得多了,精度达到了几万年才有1秒的误差。毫秒脉冲星周期的长期稳定度达到10-14,可以和原子钟媲美,成为挂在天上的“标准钟”。
中子星的密度之大是惊人的。太阳的密度为1.41克/厘米3,而白矮星可达106克/厘米3,中子星则为1014克/厘米3。我们地球的密度为5.5克/厘米3。在地球上,我们都有体会,金属的密度很大,因此很重。一杯水银足有3公斤重。在地球上称1立方厘米的白矮星物质,足有200吨重,中子星的密度大得更是惊人,1立方厘米的中子星物质有一亿吨重,万吨巨轮也休想拖动它。脉冲星_脉冲星 -著名脉冲星
脉冲星 脉冲星:脉冲星-概述,脉冲星-发现
两颗旋转的脉冲星
1、毫秒脉冲星:20世纪80年代,由发现了1类所谓的毫秒脉冲星,它们的周期太短了,只有毫秒量级,之前的仪器虽然能探测到,但是很难将脉冲分辨出来。研究发现毫秒脉冲星并不年轻,这就对传统的“周期越短越年轻”的理论提出了挑战。进1步的研究发现毫秒脉冲星与密近双星有关。
2、人类发现的第一颗脉冲星:PSR1919+21,也就是上文贝尔小姐发现的那颗脉冲星,位于狐狸座方向,周期为1.33730119227秒。
3、人类发现的第一颗脉冲双星:PSR B1913+16
4、人类发现的第一颗毫秒脉冲星:PSR B1913+16
5、人类发现的第一颗带有行星系统的脉冲星:PSR B1257+12
6、人类发现的第一颗双脉冲星系统:PSRJ0737-3039
 
7、天文学家发现轨道周期最短的毫秒脉冲星:这颗名为PSRJ1311-3430的脉冲星每秒旋转390次。它处在1个双星系统中,伴星直径约为木星的60%,但质量却达到木星的8倍多。这颗脉冲星与伴星距离约为52万公里,是地球和月球距离的约1.4倍,也是目前已知距离最近的双星系统。
脉冲星_脉冲星 -脉冲双星
1974年,美国的赫尔斯和泰勒发现了第一颗射电脉冲双星PSR1913+16,它们是两颗互相环绕的脉冲星,轨道周期很短,仅为7.75小时。轨道的偏心率为0.617。当两颗子星相互靠得很近时,极强的引力辐射会导致它们的距离愈加靠近,轨道周期会逐渐变短。通过精确地测量射电脉冲双星轨道周期的变化可以检测引力波的存在,验证广义相对论。赫尔斯和泰勒也因此获得1993年的诺贝尔物理学奖。
2003年4月,研究人员发现PSRJ0737-3039A的周期为22毫秒,并且在有规律地变化。人们认为这是1个罕见的双脉冲星系统,两颗子星都是脉冲星,并且辐射束都扫过地球。观测显示,这对双脉冲星系统的A星是一颗1.337太阳质量的毫秒脉冲星,周期22毫秒,B星是一颗1.251太阳质量的正常脉冲星,周期2.27秒。两颗子星相互环绕的轨道周期仅为2.4小时,轨道偏心率为0.088,平均速度达到0.1%光速。这个双脉冲星系统的发现为检测引力波的存在带来了新的希望。
脉冲星_脉冲星 -重要意义
脉冲星 脉冲星:脉冲星-概述,脉冲星-发现
脉冲星
由于脉冲星是在蹋缩的超新星的残骸中发现的,它们有助于我们了解星体蹋缩时发生了什么情况。还可通过对它们的研究揭示宇宙诞生和演变的奥秘。而且随着时间的推移,脉冲星的行为方式也会发生多种多样的变化。
每颗脉冲星的周期并非恒定如一,我们能探测到的是中子星的旋转能(电磁辐射的来源),每当脉冲星发射电磁辐射后,它就会失去一部分旋转能,且转速下降。通过月复一月,年复一年地测量它们的旋转周期,我们可以精确地推断出它们的转速降低了多少、在演变过程中能量损失了多少,甚至还能够推断出在因转速太低而无法发光之前,它们还能生存多长时间。
每颗脉冲星都有与众不同之处。有些亮度极高;有些会发生星震,顷刻间使转速陡增;有些在双星轨道上有伴星;还有数十颗脉冲星转速奇快(高达每秒钟一千次)。每次新发现都会带来一些新的、珍奇的资料,科学家可以利用这些资料帮助人类了解宇宙。
脉冲星是20世纪60年代天文学的4大发现之一。在不到20年的时间,发现者接连两次获得诺贝尔物理学奖,引起了全世界的轰动。休伊什因发现脉冲星而获得1974年度诺贝尔物理学奖;此后,哈尔斯和泰勒对新发现的双脉冲星系统观测为爱因斯坦的广义相对论和引力波理论提供迄今为止最严格的检验,从而获得1993年的诺贝尔物理学奖。
因此脉冲星对天体物理学的研究具有极大的意义,脉冲星的这些让人无法相信的特征为现在物理学特别是高能物理和宇宙学提供了1个天然的平台,它为人类研究宇宙的起源、演化和变迁提供了一把天然的钥匙。随着科学技术的迅速发展,相信在不久的将来,人类对脉冲星的认识将更进1步,从中了解更多的秘密,为揭开宇宙神秘的面纱提供更多的有用信息。

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