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宇宙中的灯塔——脉冲星(1)

编者按:
脉冲星是怎么被发现的?它(们)是中子星吗?产生脉冲的机制又是什么?
天问专栏第二十期,带你领略宇宙中的灯塔——脉冲星的风采。
 
撰文 | 李柯伽(北京大学)
责编 | 吕浩然
 
脉冲星的发现
 
1967年,Jocelyn Bell还是剑桥大学的一名博士生。她从导师Antony Hewish那里领取了一套包含钳子、断线钳、螺丝刀等的工具包后,就把大量的时间花在了建造Mullard天文台的行星际闪烁阵列上(图1)。
 
射电天文学家自己建造观测仪器是一个传统。最早大约是来源于卡文迪许实验室的Martin Ryle等人。这个传统后来或多或少被传承了下来。在行星闪烁阵列建成以后,这个仪器开始大量地获取观测数据。在计算机还不发达的上世纪六十年代,Bell每晚都要分析将近30米的记录纸带。
 
 
那年秋天,Bell注意到:每天同一恒星时,这个阵列都会从天上的同一个位置接收到一些看似像干扰的无线电信号。如果这个信号是地面上的无线电干扰,那么干扰发生的时间需要正好补偿地球围绕太阳的公转效应。这也太离奇了!要是假设这个信号不来自于地球,而是来源于远方的天体,那么整个事情似乎要更合理一些。
 
到了11月份的时候,Bell和整个团队终于开始了系统地探索这个奇怪的信号。为了看清楚信号的细节,他们找来了高速纸带记录仪(图2)。这一下更令人吃惊:这些信号是间隔1.33秒的、非常有规律的脉冲信号。Hewish决定在搞清楚大致情况之前先暂时保守这个秘密。
 
 
如果这个脉冲信号是来源于太阳系之外的,那么由于地球围绕太阳公转,望远镜相对信号源的速度就会以一年为周期而变化。脉冲信号的周期由于多普勒效应(编者注:观测到的频率随波源与观测者之间的相互运动而变化,如行驶中的火车所发出的鸣笛声的频率在地面观测者听来是不断变化的)也将有相应的改变。
 
经过几个月的数据积累,他们发现,信号周期在小数点后第7位上发生了改变,并且测量到的改变量与地球围绕太阳运动引起的多普勒效应之预言完全一致。信号的来源至此确定为太阳系之外!
 
那么,这个奇特的无线电脉冲信号源,究竟是在银河系内还是在更远的地方呢?
 
我们都知道,当白色的光穿过玻璃棱镜的时候,就会被分解成不同颜色的光(色散效应)。这个效应起源于不同频率的光和玻璃(介质)中电子的相互作用。由于这种作用,不同频率的光在介质中的传播速度是不一样的。
 
类似地,银河系里也充满了大量自由的电子,无线电波在这些“星际介质”中传播时,也会发生色散,而不同频率的无线电脉冲信号到达地球的时间也会有差异。理论上,脉冲到达地球的时间差正比于电磁波信号在传播途中遇上的电子数量[3]。
 
 
上世纪六十年代,人们对银河系中的电子密度已经有了大概的了解。Hewish和Bell测量了不同频率的脉冲到达地球的时间差,然后再结合银河系电子密度的信息即能推测出新发现天体的距离。
 
最后的结论是这个脉冲源位于银河系内[5]。Hewish和Bell还能进一步修正了色散的影响。通过调整不同频率的脉冲信号延迟,让这些脉冲对齐以后,脉冲比之前看到的还要窄一些:宽度大约为16毫秒。而光在这个短短的时间里只能传播4800公里。
 
这个结果也表明,这个未知星体必定不会太大。如若不然,来源于星体前方和后方的脉冲到达地球时间就会不一样,从而加宽观测到的脉冲信号。由脉冲宽度得知,这种星体的大小必须小于4800公里。至此,Hewish和Bell找到了一种发射无线电脉冲的、周期非常准确的、在银河系内且非常小的天体。
 
他们给这种天体取了个名字——脉冲星。脉冲星的英文单词是pulsar,是pulse(脉冲)和star(星星)的单词组合。然而最初脉冲星曾用LGM来标记,因为Bell和Hewish很难抗拒拿little greenman(即“小绿人”,外星人的戏称)作为名字开一个玩笑。但是这种天体的本质,Hewish和Bell却未能确定。
 
这么小的天体有四种可能:行星、白矮星、中子星和黑洞。然而信号中异常稳定的1.3秒脉冲周期只能和星体自转联系起来;行星无法旋转那么快,否则星体自身的引力无法提供足够的向心力,从而导致星体瓦解;黑洞没有固体表面,难以实现稳定的1.3秒脉冲周期,基本也能够被排除在清单之外;而1982年发现的,转得更快的毫秒脉冲星[6]则彻底排除了白矮星的可能性。唯一剩下的可能对象是“中子星”。
 
脉冲星是中子星吗?
 
中子星的概念在发现脉冲星的时候已经静静地躺在文献的长河中超过了30年。Baade和Zwicky在上世纪三十年代的时候为超新星的起源头痛不已。Zwicky认为新发现的中子可能是他们模型中缺少的一环。Baade和Zwicky猜测到,晚年的恒星用完了能源,发出的光越来越弱,星体内的物质缺少了来源于光的压力,无法对抗自身强大的万有引力。此时恒星开始向内塌缩,中心则越来越密而转化为中子物质,进而释放能量来驱动超新星。
 
1934年他们在会议上向相关的研究人员报告了这个想法[7],尽管超新星这个概念马上被接受了,但是中子物质形成星体的概念以及其它猜测却几乎没有人相信。
 
现在看来,Baade和Zwicky的工作极具前瞻性,他们通过现象学的方法直接跳过复杂的理论论证而得以直接探讨天文现象的起源。在他们的猜测后又过了四年,Landau尝试找到恒星发光的能量来源[8]。他猜测氢元素可以在高压下相变为中子物质,从而释放足够的能量来支持恒星发光。
 
这个猜测后来被证明是错误的。但是“由中子之间的压力来抵抗自身的万有引力,从而形成稳定的天体”这个概念却被建立起来了。只是在很长一段时间内,人们并没有意愿去寻找这种所谓的“中子星”。Oppenheimer和Volkoff在1939年仔细算出了中子星的大小[9]——也就几公里到几十公里,大体和北京市大小相当。
 
传统的天文学家没有寻找这类星体的动力。因为,中子星太小,表面积也就很小,给定温度以后,发出的光学辐射也少得可怜。地面的光学望远镜看来是没有什么机会能够看到。
 
不过在现在看来,光学天文学家不利用望远镜去观测它们是件很遗憾的事情。蟹状星云中心的天体是一颗光学可见的脉冲星。按照上世纪三十年代的猜测,这个地方将是非常适合搜寻脉冲星的。而五十年代有人在做目视观测的时候曾经报告过这个蟹状星云的光学脉冲,但遗憾的是,这些现象都被忽略了。
 
Hewish和Bell的工作第一次证明了这类致密天体的存在。因为这个发现Hewish获得1974年的诺贝尔物理学奖。对于Bell来说,事情似乎没有那么公平,她并没有在获奖名单中,尽管她事后对此保持相当的低调[10]。脉冲星领域相当多的研究者为此打抱不平。不过诺贝尔物理学奖的官方说法是因为这次奖励是鼓励无线电天文发展,而不仅仅是脉冲星。
 
我们已经讨论了脉冲星的可能对象,并猜测应该是中子星。可是我们目前并没有完全的证据来证明,在脉冲星内部极高的压力下,简并(相互排斥的)中子组成的中子星是必然的产物。不仅如此,真实的情况可能恰恰相反,Witten曾经猜测通过增加奇异夸克组份,能够形成更加稳定的原子核物质[11]。
 
正因为如此,脉冲星里边可能是中子,可能是包含奇异夸克的重子物质,还可能是某种夸克集团[12]。因此,对脉冲星的观测可以用于探索在极高压强下原子核物质的物理规律。
 
原子核及重子物质相互作用的规律在物理学上被称为强相互作用。这是一种非常基本的物理过程,在整个物理理论框架中举足轻重。温度很高的时候,强相互作用理论可以通过粒子加速器-对撞机的数据进行探索。但在“低温”的时候,强相互作用理论变得非常复杂,而地面实验却没有太好的数据来对理论进行检验。脉冲星则是目前已知的提供这些核物理信息的理想天体物理实验室[13]。
 
脉冲星辐射来源之谜
 
但是为什么中子星会有无线电辐射呢?这个问题截至今日仍没有一个令人满意的答案。
 
脉冲星周围的物理条件和我们日常生活或者实验室中见到的条件实在差得太远。中子星表面的磁场和引力场都远远超过地球上能达到的条件。例如地球表面的磁场大约为0.5高斯(磁场强度单位),日常生活中的强磁铁表面的磁场大约能达到1万高斯,而一般脉冲星表面的磁场能够达到1012高斯;地球表面的重力加速度为9.8米/秒2,这个值被称作1g。方程式赛车的最大加速度大约为5g,实验室中使用的高速离心机产生的地面最强的加速度也仅仅为四百万g,而中子星表面的重力加速度可以达到约1012g。中子星周围的物理条件注定和实验室的“常识”相去甚远。可以想像脉冲星的辐射来源将和我们常见的辐射过程非常不一样。
 
从大图像上来分析,脉冲星的脉冲非常有规律,于是人们只能把脉冲的形成与星体转动联系起来。脉冲星的脉冲信号仅仅占到整个脉冲周期的10%左右,所以辐射应当是集中在一个面积很小的方向上。目前人们心目中的经验图像大概如图4,脉冲星从两个磁极流出带电粒子,然后形成了很细的辐射束跟随脉冲星一起转动,当辐射束扫过观测者的时候,就能看到脉冲信号。这个过程有点类似于海上的灯塔,发出的光周期性地掠过人们的眼球。
 
 
但是带电粒子从哪里来呢?现在人们对带电粒子的起源有两个不一样的图像。这两个理论都依赖于脉冲星表面强大的磁场。在脉冲星旋转的时候,自身磁场就会产生相应的感应电场。
 
一种图像[14]认为:在有强大的电磁场存在的时候,中子星附近的真空开始变得不稳定。来源于银河系或者中子星本身热辐射的光子进入到这种不稳定真空的时候会造成扰动,并转化为一对正负电子。这对正负电子在感应电场的加速下到达极高的速度,在磁场运动中产生新的辐射光子,并以此激发更多的正负电子对。这个过程很像雪崩,一旦触发了一点崩塌,就会一直维持下去。而这些来自真空的正负电子对的运动最终形成了脉冲星辐射。
 
另一种图像[15]则认为初始真空无法形成,因为强电场会把星体内部带电粒子拉出来,从而形成稳定电流。脉冲星辐射则是这个电流驱动的。这两个图像都有一些观测证据的支持,目前还不知道哪个图像是正确的。至于带电粒子能否形成我们目前观测到的无线电波?以及无线电波的特性是否和观测一致?经过了40多年的研究,这些问题仍然是悬而未决。
 
脉冲星自身目前还有很多未解之谜, 一些很基本的问题也尚未解决。 然而它却是极度特殊和有用的天然实验室。在高能物理、引力物理、等离子体物理等多个方面,脉冲星都有独特的诺贝尔奖级别的应用。而这些事情,且容笔者先卖个关子,待下回分解:“宇宙中的灯塔——脉冲星(2)”。
 
*作者注:感谢研究生郭彦君、胥恒、张春风和李洋阅读本文的初稿,但文责由作者自负。
 
作者简介:
· 李柯伽,2003年获北京大学天文系学士学位,后获得博士学位(2009),随后进入马克思-普朗克射电天文研究所从事博士后研究。现为北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员。主要研究领域:脉冲星、引力波、快速射电暴、射电天文技术与方法和统计信号探测理论。
 
参考文献:
[1] 图片来源:http://www.nature.com
[2] 图片来源:http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/section1.html
[3] 尤峻汉. 天体物理中的辐射机制. 北京 : 科学出版社, 1983.
[4] 图片来源:Britannica百科全书。
[5] Hewish, A., S. J.Bell, J. D. H.Pilkington, P. F.Scott, and R. A., Collins. "Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source." Nature, 242(1969):472.
[6] Backer, D.C., S.R. Kulkarni, C.Heiles, M. M. Davis, and W., M. Gross. "A millisecond pulsar." Nature, 300(1982):615.
[7] Baade, W., and F.Zwicky. "Remarks on Supenovae and Cosmic Rays." Physics  Review, 46(1934):76.
[8] Landau, L. "Origin of Stellar Energy." Nature, 141(1938):333.
[9] Oppenheimer, J.R., and G.M.Volkoff."On Massive Neutron Cores." Physics Review, 55(1939):374.
[10] Bell, J. "Petit four." Annals of The New York academy of sciences, 302(1977):685.
[11] Witten, E. "Cosmic separation of phases." Physical Review, D30(1984):272. 
[12] Lai, X., and R.X.Xu. "Strangeon and Strangeon Star." Journal of Physics, 861(2017):2027.
[13] Lattimer, J.M., and M.Prakash. "Neutron Star Structure and the Equation of State." Astrophysical Journal, 550(2000):426.
[14] Ruderman, M., and P. Sutherland. "Theory of pulsars polar caps, sparks, and coherent microwave radiation." Astrophysical Journal, 196(1975):51.
[15] Sturrock, P.A. "A Model of Pulsars." Astrophysical Journal, 164(1971):529.
推荐 7