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脉冲星发现50年:科学意义与未来观测

前言:
 
脉冲星是宇宙中天然的极端物理实验室,超强引力场为广义相对论和引力波的检验提供了独特场所。脉冲星的理论和观测研究对推动天文、天体物理、核物理、粒子物理、等离子体物理、广义相对论和引力波等领域的发展都有着非常重要的意义。我国500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)的建成为新型和奇特脉冲星的自主观测和发现提供了契机。
 
撰文 | 张承民 杨佚沿 支启军
 
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世界上公认的脉冲星发现者是贝尔女士(J. Bell),当时她是英国剑桥大学的博士研究生。1967年夏天,在无意搜索射电望远镜天线的数据带时,她注意到奇怪的周期信号——每隔1.33秒一次流量变化,后经仔细认证,认定这是天体信号,来自后被称为“脉冲星”的天体,即物理学家曾经预言的超级致密的中子星 [1]。经过50年的研究,已知道脉冲星是一种极端致密的天体,由8~25倍太阳质量的恒星演化到末期发生的超新星爆发而形成,中心物质大约为一个太阳质量,物质密度是1014~1015克·厘米-3,相当于水密度的千万亿倍。脉冲星的辐射来自其强大磁场的极冠区,每当中子星极冠转到地球视线方向,就会发出信号。中子星半径约在10 千米,自旋很快,其中射电脉冲星旋转周期在1.4 毫秒~8.5秒之间。
 
中子星的物质结构由内向外可以分为内核、外核、内壳层、外壳层、大气层。内核厚度为几千米,密度大于1014克·厘米-3,主要成分尚未明确。外核是包含中子、质子、电子的混合物,内壳层主要物质为电子、自由中子和原子核,外壳层约为几百米,从大气层底部延伸到密度约为1011克·厘米-3的位置,其主要成分是离子和电子。最外部大气层很薄,为几厘米,这是脉冲星电磁辐射和热辐射的主要区域。
 
天文学家可通过射电、光学、X射线、γ射线等波段的望远镜探测脉冲星。目前观测发现了2700颗脉冲星,其中大部分是孤立的,仅有200多颗存在于双星系统中。脉冲星种类繁多,根据辐射能段的不同分为射电脉冲星、X射线脉冲星和γ射线脉冲星等;根据有无伴星可以分为脉冲星双星和孤立脉冲星;根据演化历史和自转周期的大小,可以分为常规脉冲星和毫秒脉冲星;根据供能机制的不同可以分为旋转供能脉冲星、吸积供能脉冲星、热供能脉冲星、磁供能脉冲星、核供能脉冲星等。
 
脉冲星的科学意义
 
由于脉冲星的大质量和小半径,其表面引力场非常强,所以不能忽略广义相对论效应的存在, 这使得脉冲星成为强引力场研究的天然实验室。在地球和太阳系范围里,广义相对论已经得到如下几种验证。(1)水星近日点的进动。对于每百年43秒的剩余进动,天文学家曾经无法合理解释其进动来源,直到后来被广义相对论解释。(2)光线在引力场中的弯曲。广义相对论计算的弯曲结果比牛顿理论正好大1倍,英国天文学家爱丁顿(A. Eddington)通过1919年日全食观测,证实了爱因斯坦的预言。(3)引力场中时钟变慢现象。(4)光谱的引力红移现象。上述检验全部可以在脉冲星系统完成,其精度将高于地球上的实验。值得一提的是,随着对脉冲星的探索研究,引力辐射的检测可以通过双星系统进行。1974年,美国天文学家赫尔斯(R. Hulse)和泰勒(J. Taylor)发现了一对互相绕转的双中子星系统(其中一颗为射电脉冲星),他们利用此双星系统的轨道变化来检验各类引力理论, 发现广义相对论的理论预言与观测非常吻合, 从而间接证实了引力波预言 [2]。
 
天文学家注意到,脉冲星在基础科学研究领域具有极其重要的学术意义 [3]。脉冲星的超强磁场为研究磁层粒子加速机制、高能辐射、射电辐射过程提供了一个理想场所。强大的磁场运动产生电场,其中的等离子体物理过程也是物理学家感兴趣的课题。
 
中子星的物质组成与其结构相关,其中心附近的密度是核密度的几倍,诞生时温度可高达109开,一般认为此条件下可能生成夸克物质,这在地球上是无法探索的极端物质条件。其次,中子星外核存在中子以及少量质子和电子,所以中子星是各种核物理理论验证的绝佳场所。
 
脉冲星作为大质量恒星坍缩后超新星爆发的产物,对于研究超新星爆发理论,理解脉冲星的形成机制相当重要 [4]。超新星爆发是宇宙中巨大的能量释放现象,如果在银河系内临近地球处发生一次超新星爆发,可能会威胁到人类的生存。银河系的超新星爆发大约每隔50年一次,如1054年我国宋朝记录的蟹状星云处的爆发, 1604年开普勒在银河系中发现超新星,美国宇航局的钱德拉太空望远镜在银河系中发现了一个约100万年前爆炸的超新星遗迹。
 
脉冲星其实是恒星的死亡产物,其核心通过两个途径,即坍缩或者爆炸,最终导致超新星的产生。第一类型超新星发生在双星系统,当白矮星由伴星吸积过多物质,其质量超过钱德拉塞卡极限(约1.4太阳质量),就会爆炸,产生超新星。第二种类型是超新星作为一颗孤立的大质量恒星的生命终结期,当耗尽自身的核燃料,由于受引力牵引的作用,失去热辐射压力支撑的外围物质将会发生物质回落现象,造成塌缩,最后爆发,其中心产生中子星(脉冲星即是转动的中子星)。按质量的大小,恒星演化末期可演化为三类天体:黑洞、中子星、白矮星。中子星已不再像正常恒星一样燃烧核燃料, 只能靠消耗其自转能维持辐射,可观测到的脉冲星信号即为旋转的中子星发出的辐射。
 
在应用研究方面, 脉冲星因其自转周期的高度稳定性,在时间标准和航天器导航上有非常重要的应用前景。在平时生活中,差上几分钟对生活影响不是很大,但是如果在航天领域,时间定不准, 就意味着空间位置有偏差,制导设备在定位精度上存在大问题,对于卫星的空间运动,时间差之毫厘,距离谬以千里。部分脉冲星自转周期的长期稳定性已经赶上甚至超过氢原子钟, 这表明脉冲星在宇宙航行领域是潜在的、可替代原子钟的时间标准。
 
脉冲星的研究涉及许多学科的一系列重要理论问题, 它与现代物理中的等离子体物理、广义相对论、基本粒子、核物理等密切有关。另外, 脉冲星在恒星演化的研究中也占据特殊的地位,所以其研究成为当今天体物理学最活跃的领域之一 [5]。
 
脉冲星的未来观测
 
50 年来,脉冲星的观测已积累了一大批宝贵资料,同时也有不少问题尚待解决。随着FAST 的建设和其他观测手段的进一步优化与发展,脉冲星所带来的一系列新问题将会得到解答。虽然现在天文学家已经观测到14 对双中子星,但还没有发现脉冲星—黑洞系统,FAST有望在未来若干年内探测到这类奇特双星。据估计,脉冲星—黑洞系统的探测率低于双中子星系统的1/10,随着世界各地大射电望远镜的投入使用,探测到脉冲星— 黑洞系统的机会正在增加。目前,观测到的毫秒脉冲星最快自旋周期是1.39 毫秒,低于20 毫秒的脉冲星有300多颗,它们的平均周期为4 毫秒,这是双星系统吸积加速的结果。根据理论计算,如果能探测到亚毫秒脉冲星,其物态很有可能是夸克星,这是核力起主导作用的一类新天体,会为核物理研究打开新的大门。银河系以外脉冲星的探测也将作为FAST 未来观测的重点,随着FAST射电望远镜灵敏度的提高,探测其他星系短时间、巨脉冲信号脉冲星也成为可能,这对于研究脉冲星奇特的辐射机制非常有利,也为星际介质研究提供绝佳样本。另外,对于一些年老的脉冲星,其辐射强度较低,星体自旋周期大于10 秒,不容易被探测到。FAST 的高灵敏度使探测年老脉冲星成为可能,这对于研究脉冲星晚期演化特性至关重要。
 
经过50 年的观测与研究,目前已经发现了约2700颗脉冲星 [6]。“ 观测脉冲星—— 研究极端物质状态下的物质结构与物理规律”是 FAST 的五大科学目标之一 [7,8],FAST 为脉冲星研究与新发现提供了巨大机遇。
 
作者简介:
 
张承民:研究员,中国科学院国家天文台,北京100012,岗位教授,中国科学院大学,北京100049;杨佚沿:助理实验师,贵州师范学院物理与电子科学学院,贵阳 550018;支启军:教授,贵州师范大学物理与电子科学学院,贵阳 550025。
 
Zhang Chengmin: Professor, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, Professor, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049; Yang Yiyan: Assistant Engineer, School of Physics and Electronic Science, Guizhou Education University, Guiyang 550025; Zhi Qijun: Professor, School of Physics and Electronic Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025.

1.Hewish A, Bell S J, Pilkington J D H, et al. Observation of a rapidly pulsating radio source. Nature, 1968, 217(5130): 709-713.
2.Hulse R A, Taylor J H. Discovery of a pulsar in a binary system. The Astrophysical Journal, 1975, 195: L51-L53.
3.Lyne A, Graham-Smith F. Pulsar astronomy. NewYork: Cambridge University Press, 2012.
4.Lorimer D R, Kramer M. Handbook of pulsar astronomy. Cambridge University Press, 2005.
5.温学诗, 吴鑫基. 已获辉煌 继续辉煌——脉冲星研究的科学意义. 现代物理知识, 1995, 7(04): 12-16.
6.Manchester R N, Hobbs G B, Teoh A, et al. The Australia telescope national facility pulsar catalogue. The Astronomical Journal, 2005, 129(4): 1993.
7.南仁东, 张海燕, 张莹,等. FAST 工程建设进展. 天文学报, 2016, 57(6): 623-630.
8.南仁东. 500m 球反射面射电望远镜 FAST. 中国科学: G 辑, 2005, 35(5): 449-466.
 
 本文刊载于《科学》杂志2017年第6期,《知识分子》获授权转载。
 
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