宇宙中的燈塔——脈沖星(1) | 天問專欄
?左圖,X-射線觀測到的蟹狀星云,它是超新星爆發(fā)留下的遺跡,遺跡中心發(fā)現(xiàn)了一顆脈沖星,圖片來源:NASA;右圖:中國古人在《宋史志》中對這次超新星爆發(fā)事件有詳細記載。
編者按:
脈沖星是怎么被發(fā)現(xiàn)的?它(們)是中子星嗎?產(chǎn)生脈沖的機制又是什么?
天問專欄第二十期,帶你領(lǐng)略宇宙中的燈塔——脈沖星的風采。
撰文 | 李柯伽(北京大學)
責編 | 呂浩然
天問專欄
· 他們腳踏幾千米高原,只為多仰望星空一眼(附一至十期文章)
· 有人要挑戰(zhàn)暗物質(zhì)理論,并邁開了“萬里長征”的第一步
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1967年,Jocelyn Bell還是劍橋大學的一名博士生。她從導(dǎo)師Antony Hewish那里領(lǐng)取了一套包含鉗子、斷線鉗、螺絲刀等的工具包后,就把大量的時間花在了建造Mullard天文臺的行星際閃爍陣列上(圖1)。
射電天文學家自己建造觀測儀器是一個傳統(tǒng)。最早大約是來源于卡文迪許實驗室的Martin Ryle等人。這個傳統(tǒng)后來或多或少被傳承了下來。在行星閃爍陣列建成以后,這個儀器開始大量地獲取觀測數(shù)據(jù)。在計算機還不發(fā)達的上世紀六十年代,Bell每晚都要分析將近30米的記錄紙帶。
?圖1:Bell和Hewish站在他們建造的行星際閃爍陣列前[1]。
那年秋天,Bell注意到:每天同一恒星時,這個陣列都會從天上的同一個位置接收到一些看似像干擾的無線電信號。如果這個信號是地面上的無線電干擾,那么干擾發(fā)生的時間需要正好補償?shù)厍驀@太陽的公轉(zhuǎn)效應(yīng)。這也太離奇了!要是假設(shè)這個信號不來自于地球,而是來源于遠方的天體,那么整個事情似乎要更合理一些。
到了11月份的時候,Bell和整個團隊終于開始了系統(tǒng)地探索這個奇怪的信號。為了看清楚信號的細節(jié),他們找來了高速紙帶記錄儀(圖2)。這一下更令人吃驚:這些信號是間隔1.33秒的、非常有規(guī)律的脈沖信號。Hewish決定在搞清楚大致情況之前先暫時保守這個秘密。
?圖2上:脈沖星在1967年8月被發(fā)現(xiàn)時候的記錄紙帶;下:11月份高速記錄儀看到的周期性脈沖信號[2]。
如果這個脈沖信號是來源于太陽系之外的,那么由于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn),望遠鏡相對信號源的速度就會以一年為周期而變化。脈沖信號的周期由于多普勒效應(yīng)(編者注:觀測到的頻率隨波源與觀測者之間的相互運動而變化,如行駛中的火車所發(fā)出的鳴笛聲的頻率在地面觀測者聽來是不斷變化的)也將有相應(yīng)的改變。
經(jīng)過幾個月的數(shù)據(jù)積累,他們發(fā)現(xiàn),信號周期在小數(shù)點后第7位上發(fā)生了改變,并且測量到的改變量與地球圍繞太陽運動引起的多普勒效應(yīng)之預(yù)言完全一致。信號的來源至此確定為太陽系之外!
那么,這個奇特的無線電脈沖信號源,究竟是在銀河系內(nèi)還是在更遠的地方呢?
我們都知道,當白色的光穿過玻璃棱鏡的時候,就會被分解成不同顏色的光(色散效應(yīng))。這個效應(yīng)起源于不同頻率的光和玻璃(介質(zhì))中電子的相互作用。由于這種作用,不同頻率的光在介質(zhì)中的傳播速度是不一樣的。
類似地,銀河系里也充滿了大量自由的電子,無線電波在這些“星際介質(zhì)”中傳播時,也會發(fā)生色散,而不同頻率的無線電脈沖信號到達地球的時間也會有差異。理論上,脈沖到達地球的時間差正比于電磁波信號在傳播途中遇上的電子數(shù)量[3]。
?圖3:白光穿過棱鏡被分成不同頻率的光[4]。
上世紀六十年代,人們對銀河系中的電子密度已經(jīng)有了大概的了解。Hewish和Bell測量了不同頻率的脈沖到達地球的時間差,然后再結(jié)合銀河系電子密度的信息即能推測出新發(fā)現(xiàn)天體的距離。
最后的結(jié)論是這個脈沖源位于銀河系內(nèi)[5]。Hewish和Bell還能進一步修正了色散的影響。通過調(diào)整不同頻率的脈沖信號延遲,讓這些脈沖對齊以后,脈沖比之前看到的還要窄一些:寬度大約為16毫秒。而光在這個短短的時間里只能傳播4800公里。
這個結(jié)果也表明,這個未知星體必定不會太大。如若不然,來源于星體前方和后方的脈沖到達地球時間就會不一樣,從而加寬觀測到的脈沖信號。由脈沖寬度得知,這種星體的大小必須小于4800公里。至此,Hewish和Bell找到了一種發(fā)射無線電脈沖的、周期非常準確的、在銀河系內(nèi)且非常小的天體。
他們給這種天體取了個名字——脈沖星。脈沖星的英文單詞是pulsar,是pulse(脈沖)和star(星星)的單詞組合。然而最初脈沖星曾用LGM來標記,因為Bell和Hewish很難抗拒拿little greenman(即“小綠人”,外星人的戲稱)作為名字開一個玩笑。但是這種天體的本質(zhì),Hewish和Bell卻未能確定。
這么小的天體有四種可能:行星、白矮星、中子星和黑洞。然而信號中異常穩(wěn)定的1.3秒脈沖周期只能和星體自轉(zhuǎn)聯(lián)系起來;行星無法旋轉(zhuǎn)那么快,否則星體自身的引力無法提供足夠的向心力,從而導(dǎo)致星體瓦解;黑洞沒有固體表面,難以實現(xiàn)穩(wěn)定的1.3秒脈沖周期,基本也能夠被排除在清單之外;而1982年發(fā)現(xiàn)的,轉(zhuǎn)得更快的毫秒脈沖星[6]則徹底排除了白矮星的可能性。唯一剩下的可能對象是“中子星”。
中子星的概念在發(fā)現(xiàn)脈沖星的時候已經(jīng)靜靜地躺在文獻的長河中超過了30年。Baade和Zwicky在上世紀三十年代的時候為超新星的起源頭痛不已。Zwicky認為新發(fā)現(xiàn)的中子可能是他們模型中缺少的一環(huán)。Baade和Zwicky猜測到,晚年的恒星用完了能源,發(fā)出的光越來越弱,星體內(nèi)的物質(zhì)缺少了來源于光的壓力,無法對抗自身強大的萬有引力。此時恒星開始向內(nèi)塌縮,中心則越來越密而轉(zhuǎn)化為中子物質(zhì),進而釋放能量來驅(qū)動超新星。
1934年他們在會議上向相關(guān)的研究人員報告了這個想法[7],盡管超新星這個概念馬上被接受了,但是中子物質(zhì)形成星體的概念以及其它猜測卻幾乎沒有人相信。
現(xiàn)在看來,Baade和Zwicky的工作極具前瞻性,他們通過現(xiàn)象學的方法直接跳過復(fù)雜的理論論證而得以直接探討天文現(xiàn)象的起源。在他們的猜測后又過了四年,Landau嘗試找到恒星發(fā)光的能量來源[8]。他猜測氫元素可以在高壓下相變?yōu)橹凶游镔|(zhì),從而釋放足夠的能量來支持恒星發(fā)光。
這個猜測后來被證明是錯誤的。但是“由中子之間的壓力來抵抗自身的萬有引力,從而形成穩(wěn)定的天體”這個概念卻被建立起來了。只是在很長一段時間內(nèi),人們并沒有意愿去尋找這種所謂的“中子星”。Oppenheimer和Volkoff在1939年仔細算出了中子星的大小[9]——也就幾公里到幾十公里,大體和北京市大小相當。
傳統(tǒng)的天文學家沒有尋找這類星體的動力。因為,中子星太小,表面積也就很小,給定溫度以后,發(fā)出的光學輻射也少得可憐。地面的光學望遠鏡看來是沒有什么機會能夠看到。
不過在現(xiàn)在看來,光學天文學家不利用望遠鏡去觀測它們是件很遺憾的事情。蟹狀星云中心的天體是一顆光學可見的脈沖星。按照上世紀三十年代的猜測,這個地方將是非常適合搜尋脈沖星的。而五十年代有人在做目視觀測的時候曾經(jīng)報告過這個蟹狀星云的光學脈沖,但遺憾的是,這些現(xiàn)象都被忽略了。
Hewish和Bell的工作第一次證明了這類致密天體的存在。因為這個發(fā)現(xiàn)Hewish獲得1974年的諾貝爾物理學獎。對于Bell來說,事情似乎沒有那么公平,她并沒有在獲獎名單中,盡管她事后對此保持相當?shù)牡驼{(diào)[10]。脈沖星領(lǐng)域相當多的研究者為此打抱不平。不過諾貝爾物理學獎的官方說法是因為這次獎勵是鼓勵無線電天文發(fā)展,而不僅僅是脈沖星。
我們已經(jīng)討論了脈沖星的可能對象,并猜測應(yīng)該是中子星??墒俏覀兡壳安]有完全的證據(jù)來證明,在脈沖星內(nèi)部極高的壓力下,簡并(相互排斥的)中子組成的中子星是必然的產(chǎn)物。不僅如此,真實的情況可能恰恰相反,Witten曾經(jīng)猜測通過增加奇異夸克組份,能夠形成更加穩(wěn)定的原子核物質(zhì)[11]。
正因為如此,脈沖星里邊可能是中子,可能是包含奇異夸克的重子物質(zhì),還可能是某種夸克集團[12]。因此,對脈沖星的觀測可以用于探索在極高壓強下原子核物質(zhì)的物理規(guī)律。
原子核及重子物質(zhì)相互作用的規(guī)律在物理學上被稱為強相互作用。這是一種非?;镜奈锢磉^程,在整個物理理論框架中舉足輕重。溫度很高的時候,強相互作用理論可以通過粒子加速器-對撞機的數(shù)據(jù)進行探索。但在“低溫”的時候,強相互作用理論變得非常復(fù)雜,而地面實驗卻沒有太好的數(shù)據(jù)來對理論進行檢驗。脈沖星則是目前已知的提供這些核物理信息的理想天體物理實驗室[13]。
但是為什么中子星會有無線電輻射呢?這個問題截至今日仍沒有一個令人滿意的答案。
脈沖星周圍的物理條件和我們?nèi)粘I罨蛘邔嶒炇抑幸姷降臈l件實在差得太遠。中子星表面的磁場和引力場都遠遠超過地球上能達到的條件。例如地球表面的磁場大約為0.5高斯(磁場強度單位),日常生活中的強磁鐵表面的磁場大約能達到1萬高斯,而一般脈沖星表面的磁場能夠達到1012高斯;地球表面的重力加速度為9.8米/秒2,這個值被稱作1g。方程式賽車的最大加速度大約為5g,實驗室中使用的高速離心機產(chǎn)生的地面最強的加速度也僅僅為四百萬g,而中子星表面的重力加速度可以達到約1012g。中子星周圍的物理條件注定和實驗室的“常識”相去甚遠??梢韵胂衩}沖星的輻射來源將和我們常見的輻射過程非常不一樣。
從大圖像上來分析,脈沖星的脈沖非常有規(guī)律,于是人們只能把脈沖的形成與星體轉(zhuǎn)動聯(lián)系起來。脈沖星的脈沖信號僅僅占到整個脈沖周期的10%左右,所以輻射應(yīng)當是集中在一個面積很小的方向上。目前人們心目中的經(jīng)驗圖像大概如圖4,脈沖星從兩個磁極流出帶電粒子,然后形成了很細的輻射束跟隨脈沖星一起轉(zhuǎn)動,當輻射束掃過觀測者的時候,就能看到脈沖信號。這個過程有點類似于海上的燈塔,發(fā)出的光周期性地掠過人們的眼球。
?圖4:脈沖星輻射的想象圖。脈沖星從磁極兩端噴出高速帶電粒子,形成的輻射束跟隨脈沖星一起旋轉(zhuǎn),當輻射束掃過觀測著的視線的時候就能觀測到脈沖信號。
但是帶電粒子從哪里來呢?現(xiàn)在人們對帶電粒子的起源有兩個不一樣的圖像。這兩個理論都依賴于脈沖星表面強大的磁場。在脈沖星旋轉(zhuǎn)的時候,自身磁場就會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電場。
一種圖像[14]認為:在有強大的電磁場存在的時候,中子星附近的真空開始變得不穩(wěn)定。來源于銀河系或者中子星本身熱輻射的光子進入到這種不穩(wěn)定真空的時候會造成擾動,并轉(zhuǎn)化為一對正負電子。這對正負電子在感應(yīng)電場的加速下到達極高的速度,在磁場運動中產(chǎn)生新的輻射光子,并以此激發(fā)更多的正負電子對。這個過程很像雪崩,一旦觸發(fā)了一點崩塌,就會一直維持下去。而這些來自真空的正負電子對的運動最終形成了脈沖星輻射。
另一種圖像[15]則認為初始真空無法形成,因為強電場會把星體內(nèi)部帶電粒子拉出來,從而形成穩(wěn)定電流。脈沖星輻射則是這個電流驅(qū)動的。這兩個圖像都有一些觀測證據(jù)的支持,目前還不知道哪個圖像是正確的。至于帶電粒子能否形成我們目前觀測到的無線電波?以及無線電波的特性是否和觀測一致?經(jīng)過了40多年的研究,這些問題仍然是懸而未決。
脈沖星自身目前還有很多未解之謎, 一些很基本的問題也尚未解決。 然而它卻是極度特殊和有用的天然實驗室。在高能物理、引力物理、等離子體物理等多個方面,脈沖星都有獨特的諾貝爾獎級別的應(yīng)用。而這些事情,且容筆者先賣個關(guān)子,待下回分解:“宇宙中的燈塔——脈沖星(2)”。
*作者注:感謝研究生郭彥君、胥恒、張春風和李洋閱讀本文的初稿,但文責由作者自負。
作者簡介:
· 李柯伽,2003年獲北京大學天文系學士學位,后獲得博士學位(2009),隨后進入馬克思-普朗克射電天文研究所從事博士后研究。現(xiàn)為北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員。主要研究領(lǐng)域:脈沖星、引力波、快速射電暴、射電天文技術(shù)與方法和統(tǒng)計信號探測理論。
參考文獻:
[1] 圖片來源:http://www.nature.com
[2] 圖片來源:http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/section1.html
[3] 尤峻漢. 天體物理中的輻射機制. 北京 : 科學出版社, 1983.
[4] 圖片來源:Britannica百科全書。
[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.
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