什么是脉搏?
定义
脉冲星又称脉冲星,是中子星的一种,周期性发出脉冲信号,直径约10公里,自转极快。
人们最初认为星星永远不会改变。而大部分明星的变化过程是如此漫长,以至于人们根本察觉不到。然而,并不是所有的明星都这么淡定。后来发现有些明星也是“调皮”多变的。所以,那些喜欢变化的星星有一个特别的名字,叫做“变星”。
脉冲星发出的无线电脉冲的周期性非常有规律。起初,人们对此感到困惑,甚至认为这可能是外星人在给我们发电报。据说第一颗脉冲星曾被称为“小绿人I”。
经过多位天文学家一年的努力,终于确认脉冲星是快速自转的中子星。而且,正是因为它的快速旋转,才会发出无线电脉冲。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;正如地球在旋转一样,星星也在旋转。就像地球一样,恒星的磁场方向不一定和旋转轴在一条线上。这样,恒星每自转一周,其磁场就会在空间画一圈,并可能扫过地球一次。
所以不是所有的恒星都能发出脉冲?其实并不是。要像脉冲星一样发出无线电信号,需要强大的磁场。但是只有更小更重的恒星有更强的磁场。中子星就是这样的高密度星。
另一方面,恒星的体积和质量越大,其自转周期越短。我们熟悉的地球,自转一周需要24小时。脉冲星的自转周期小至0.0014秒!要达到这个速度,连白矮星都做不到。这也说明,只有高速旋转的中子星才能起到脉冲星的作用。
特点
脉冲星发出无线电脉冲。
这个结论引起了很大的轰动。因为中子星虽然早在20世纪30年代就作为假说提出来了,但一直没有得到证实,人们也从未观测到中子星的存在。而且,由于理论预言的中子星密度超出了人们的想象,当时人们普遍对这一假说持怀疑态度。
直到脉冲星被发现,经过计算,其脉冲强度和频率只有中子星这样体积小、密度高、质量大的恒星才能达到。这样,中子星就真正从一个假设变成了事实。这真是上个世纪天文学上的一件大事。因此,脉冲星的发现被称为20世纪60年代四大天文发现之一。
脉冲星是20世纪60年代天文学的四大发现之一。到目前为止,我们已经发现了不少于1620颗脉冲星,并且了解到它们是高速旋转的中子星。
脉冲星有一个奇怪的特点——脉冲周期短而稳定。所谓脉冲就像人的脉冲,当出现一个短的射电信号时,比如贝尔发现的第一颗脉冲星,两个脉冲之间的间隔是1.337秒,其他脉冲短的只有0.0014秒(编号为PSR-J1748-2446),最长的只有16。那么,这样有规律的脉冲是如何产生的呢?
天文学家经过探测和研究得出结论,脉冲的形成是由于脉冲星的高速旋转。那为什么旋转可以形成脉冲?原理就像我们坐船在海里航行时看到的灯塔一样。想象一座灯塔一直亮着,不断有规律地移动。灯塔每转一个弯,它窗口的光就打我们船一次。不停地旋转,在我们看来,灯塔的光是不停地亮着和灭着的。脉冲星也是如此。它每旋转一周,我们就接收到它辐射一次的电磁波,从而形成间歇性的脉冲。脉冲现象也被称为“灯塔效应”。脉冲的周期实际上是脉冲星的自转周期。
然而,灯塔发出的光只能从窗外射进来。这是否意味着脉冲星只能从“窗口”出来?就像这样,脉冲星是中子星,中子星不同于其他恒星(比如太阳)。太阳表面到处发光,而中子星只能从两个相对的小区域辐射,辐射无法从其他地方逃逸。也就是说,中子星表面只有两个亮点,其余都是暗的。原因是什么?原来中子星本身有一个巨大的磁场,强磁场把辐射围了起来,使得中子星辐射只能从沿磁轴的两个磁极区出来,这两个磁极区就是中子星的“窗口”。
中子星的辐射从两个“窗口”出来,在空气中传播,形成两个圆锥形的辐射束。如果地球正好在这束辐射的方向上,我们就可以接收到辐射,这束辐射每转一圈扫过地球一次,就形成了我们接收到的有规律的脉冲信号。
灯塔模型是目前最流行的脉冲星模型。磁场振荡的另一个模型还没有被普遍接受。
脉冲星是高速旋转的中子星,但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束没有扫过地球的时候,我们是收不到脉冲信号的,中子星此时也不会表现为脉冲星。
脉冲星的一般符号是PSR。比如第一颗脉冲星记录为PSR1919+21。1919意味着这颗脉冲星的赤经是19小时19分钟;+21表示脉冲星的赤纬是北纬21度。
双脉冲星PSRJ0737-3039A/B的发现让人们欣喜若狂。它是由两颗脉冲星组成的双星系统。发现双脉冲星系统确实是一件非常幸运的事情。科学家在对PSRJ0737-3039A进行计算后,预测到它的脉冲轮廓形状会迅速演化,甚至预测到它的光束会在2020年左右由于轴进动而从我们的视线中消失。然而,仔细观察结果表明,预期的脉冲轮廓形状根本没有改变,这对科学家来说是一个很大的打击。预测的失败让我们觉得脉冲星的灯塔模型似乎有问题。
脉冲原因
虽然没有非常有力的证据,但全世界的脉冲星专家都认为,脉冲星不闪烁不发光,而是发出一种恒定的能量流。只是这种能量像手电筒的光一样,汇聚成一条很窄的光束,从恒星的磁极发出。中子星的磁轴与自转轴形成一定角度(与地球磁北极的地理位置略有不同)。当恒星旋转时,这种光束像灯塔光束或救护车警示灯一样扫过空间。只有当这种光束直接撞击地球时,我们才能用一些望远镜探测到脉冲星信号。这样,恒定电流束变成了脉冲光。
几乎所有的专家都相信这个灯塔模型。但也有“离经叛道”的不同意见被提出来。新的观点是脉冲星的光不是来自它的磁极,而是来自它的周围环境。同时,人们认为脉冲星发出脉冲光是因为其磁场在高速振荡,突变的磁场在恒星周围产生了非常高的感应电场。这种感应电场的峰值出现在磁场的过零点附近,并加速带电粒子发出同步辐射。这可以解释脉冲信号的产生机理。
磁场振荡模型的好处是有一个太阳低频振荡的模型。我们知道太阳磁场的方向每11年会翻转一次。如果太阳坍缩成中子星,它的自转周期可以缩短到秒甚至毫秒,它的磁场翻转周期也可能达到毫秒。电磁振荡模型遇到的问题在于下面这个问题:恒星的磁场真的能这么快翻转吗?当然,灯塔模型也有它的问题:磁铁高速旋转时,真的能从磁极发出光吗?
脉冲信号的辐射曾被认为是中子星极端磁场的独特表现。但是后来发现在一些主序星上发现了非常相似的脉冲辐射,比如超冷星TVLM 513-46546和化学特殊星Cu Virgin,这些恒星的磁场非常低(几千高斯)。这对磁场振荡模型是有利的。因为磁场振荡模型降低了对磁场强度的要求。
大多数脉冲星可以在无线电波段观测到。少数脉冲星也可以在可见光、X射线甚至γ射线中观测到。比如著名的蟹状星云脉冲星,从射电到γ射线的所有波段都可以观测到。