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        變星與脈沖星(下)

        2019-11-26 09:38:16文圖中國科學院國家天文臺郭紅鋒
        軍事文摘 2019年24期
        關鍵詞:信號質(zhì)量

        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(fā)現(xiàn)

        脈沖星的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)。在辨識記錄數(shù)據(jù)的時候,她發(fā)現(xiàn)狐貍星座有一顆星發(fā)出一種非預期但有規(guī)律的脈沖信號,脈沖的周期非常短(1.337秒),但很穩(wěn)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(fā)來的聯(lián)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(xù)發(fā)現(xiàn)了來自不同方向的數(shù)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(fā)同樣的信號。貝爾經(jīng)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(jù)這些未知天體的輻射特點,給它們?nèi)∶凶雒}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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)物而提出。天文學研究表明,大質(zhì)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(zhì)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(nèi)部的磁場也會極強。

        我們知道通常的物質(zhì)由原子組成。由原子組成的物質(zhì)空間類似于我們的太陽系,其中絕大多數(shù)的質(zhì)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(zhì)就是壓縮到原子核尺度的物質(zhì)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(zhì)量可以達到跟太陽質(zhì)量一樣大?;蛘哒f,1立方厘米的中子星物質(zhì)的質(zhì)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(shù)人對這個假說持懷疑態(tài)度。

        直到脈沖星被發(fā)現(xiàn),科學家經(jīng)過計算推斷,只有像中子星那樣體積小、密度大、質(zhì)量大、旋轉快的星體才能發(fā)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(fā)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(fā)光,而只是在星體上相對著的兩個端點發(fā)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(qū)出來,這兩個磁極區(qū)就是中子星發(fā)射脈沖的“窗口”。

        脈沖星研究

        自從1967年脈沖星被發(fā)現(xiàn)以來,全世界大大小小的射電望遠鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2000多顆脈沖星,這些脈沖星已經(jīng)形成了國際脈沖星數(shù)據(jù)庫。但脈沖星是天體演化階段中的一環(huán),科學家對脈沖星的內(nèi)部結構和物理性質(zhì)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(wěn)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(jīng)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(fā)現(xiàn)方面也有自己的優(yōu)勢。截止2019年8月,F(xiàn)AST望遠鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了93顆脈沖星,為國際脈沖星數(shù)據(jù)庫增加了數(shù)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(fā)的脈沖信號。這將使國際脈沖星數(shù)據(jù)庫的樣本急劇增加,從而發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星種類和數(shù)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(fā)郵件到郵箱chinahou@bao.ac.cn,記得要寫清你的聯(lián)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。

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