脈衝星的奇妙世界

在茫茫宇宙中，什麼天體的質量堪比太陽而直徑卻還比不上北京城區那麼大？什麼天體的旋轉速度快得可以賽過陀螺？什麼天體有勝過地球百萬億倍的超強磁場？它就是脈衝星。

密度驚人的星體

脈衝星，顧名思義，就是能夠發射脈衝的星體。它在迅速自轉的同時，從兩極發出射電波，波束有規律地不斷掃過地球。這種波束在地球上的觀察者看來就是按特定周期產生的脈衝。脈衝多呈單峰或雙峰形狀，少數具多峰形狀。

脈衝星除了會發出脈衝之外，還具有以下幾個特點：

脈衝星是超新星坍縮並磁化後形成的中子星，它們是由中子密集在一起的超高密度星體，所以體積一般很小，絕大多數的脈衝星半徑往往僅有10公里左右，但質量卻大得驚人，1立方厘米就能有10億噸！這在一般人看來簡直太不可思議了。

我們知道，地球每24小時自轉一次，而大多數脈衝星每秒鐘就能自轉一次或多次，有些脈衝星的旋轉速度甚至最高可達每秒100轉！它們的自轉速度比太陽系中轉速最快的木星還快10萬倍。例如金牛星座中著名的超新星在公元1045年爆發後，遺留下一片蟹狀星雲，它的中心就是一顆脈衝星，每秒鐘可以自轉約30次，所以發出射電波脈衝的周期為33毫秒。脈衝星的這種極高的旋轉速度在它們最初形成時就產生了，因為脈衝星最初來源於一個較大的、旋轉較慢的恆星，恆星崩潰後才形成一個微小的中子星，為了使角動量守衡，中子星的旋轉速度就必須急劇增加。當脈衝星劇烈地自轉時，它們所發出的光錐，就像明亮的燈塔掃過深遠幽暗的宇宙空間，就好像茫茫大海中閃動的燈塔。經過幾百年之後，這類脈衝星的轉速才逐漸減緩，並且其脈衝能量逐漸衰弱。

在太陽系中，溫度最高的星球是太陽，它的表面溫度是6000度，中心溫度是1500萬度，而脈衝星的表面溫度可達攝氏1000萬度，是太陽表面溫度的2000倍，而其中心溫度竟高達60億度！其灼熱程度，是我們無論如何都無法想像的。

同白矮星一樣，脈衝星是處於演化後期的恆星，它也是在老年恆星的中心形成的，只不過能夠形成脈衝星的恆星，其質量更大罷了。根據科學家的計算，當老年恆星的質量大於十個太陽的質量時，它就有可能最後變為一顆脈衝星，而質量小於十個太陽的恆星往往只能變化為一顆白矮星。但是，脈衝星與白矮星的區別，決不只是質量的不同，它們的物質存在狀態也是完全不同的。脈衝星由於本身的重力非常大，連電子在原子核外面也撐不住內縮的壓力，被壓縮到原子核中，與質子結合成中子。因為脈衝星的密度非常大，所以它們的壓力也大得常人無法想像，可達1萬億億個大氣壓。

脈衝星還具有輻射特彆強的特點，是太陽的百萬倍。

脈衝星在高速自轉的過程中，帶電粒子沿兩磁極的磁力線高速射出，從而發出方向性極強的輻射，形成兩個輻射錐。這種輻射錐掃到地球上，就是我們觀測到的脈衝。這種脈衝輻射是高度偏振的。

此外，脈衝星像地球一樣具有磁場，而且它們的磁場特彆強，比地球的磁場強度大1萬億倍。

曾被誤認為外星人基地

1967年，當脈衝星的脈衝信號首次被發現時，曾被誤認為是一種名叫「小綠人」的外星生命給我們地球發來的信號，所以發出這些脈衝的星體也曾被誤以為是外星人生活的基地。之所以會有這種誤會發生，是由於這種脈衝非常有規律，像是人為的，而不像是自然、隨機的。

從第一顆脈衝星「小綠人」被發現後直到現在，世界各地天文台已陸續有1000多顆脈衝星被發現並被編入目錄。據估計，在銀河系中，可能有多達100萬顆脈衝星。所有新發現的脈衝星的發射周期都以同樣的方式運行，每隔一特定周期就發射短雜訊脈衝，每顆脈衝星的發射周期都保持不變。「小綠人」每1.33秒發射一次脈衝，其它脈衝星的信號周期大致在1秒到幾秒之間。最近已發現每秒可發射高達1000次脈衝的脈衝星。

目前人們雖然已經發現了許多顆脈衝星，但還不清楚它們的射電輻射是怎樣產生的。美國科學家在設于波多黎各的「阿雷西博」望遠鏡上安裝了特製儀器，分析蟹狀星雲中央的強射電源——蟹狀星雲的脈衝信號。他們發現蟹狀星雲脈衝星產生異常強的射電輻射，脈衝頻率為每秒30次。精細分析表明，在蟹狀星雲的主脈衝中，存在著許多獨立次級脈衝，周期僅有2納秒。在這麼短的時間裡光也只能傳播60厘米。因此，產生這些微小次級脈衝的結構，尺寸不會超過60厘米。可儘管對於蟹狀星雲的射電輻射觀測和分析得這樣充分，卻仍是無法找到脈衝星射電輻射所產生的原因。

此外，對於脈衝星年齡的認定，也是比較困難的。

當一個脈衝星形成時，根據超新星爆炸和形成理論，天文學家們可以估算出它的「出生時間」，天文學上稱之為脈衝星的「特徵年齡」，一般認為這也是脈衝星的真實年齡。但是，有些科學家對此提出了質疑。他們用一種不同的方法研究編號為B1757-24的脈衝星，得出與之相關聯的超新星殘留物（一種熱氣的擴張雲）至少有3.9萬年的歷史。脈衝星通常是被包含在這些殘留物中的，所以它們的存在年代也應與殘留物相同。但是有的天文學家通過其它方法計算出脈衝星的年齡大約有17萬年，這意味著通過不同的方法計算出的「特徵年齡」的誤差在10倍以上。

鑒於這一情況，再加上一些超新星的能夠證明年齡的殘留物已經消失或弱化，使得天文學家不得不重新探索計算脈衝星年齡的方法。他們發現，脈衝星的自轉速度會隨著年齡的增加而變慢，所以可以根據脈衝星這一特點，通過測量它們發出的射線，就能夠大約估計出它們的壽命。他們已初步得出結論，脈衝星的實際年齡要比以前所預計的大得多。

天文學家的至愛

20世紀天文學的一系列發現和進展中，有4項被認為特別重要，它們是：星際分子、類星體、微波背景輻射和脈衝星，它們被譽為4大天文發現。英國天文學家修伊什就因為發現了脈衝星，而獲得了1974年的諾貝爾物理學獎。

脈衝星具備了極高的密度、強引力場和電磁場等極端條件，是一種得天獨厚的宇宙物理實驗室，因此長期以來一直深受物理學家和天體物理學家的青睞。

脈衝星觀測研究屬高能物理學研究範疇，是當代天體物理學的前沿熱點課題之一，利用它可以探測星際磁場和電子密度的空間分布，而且因為脈衝星是恆星死亡階段超新星爆發的產物，所以它們也是研究恆星晚期演化最重要的天體。而且，對於脈衝星的研究，還解決了以下一系列實際問題。

引力波是廣義相對論的重要推論之一，儘管愛因斯坦預言了引力波的存在，但卻從未直接觀察到引力波，所以，從上世紀至今，少數發達國家傾注大量的人力、物力、財力於引力波的實驗探測。在宇宙間，能夠發射充足的引力波的來源並不多，脈衝星便是這種少數的充足引力波來源之一。1974年，研究者發現有一顆脈衝星很特殊，它被確認是一個雙星系統，後來被稱為「修斯-泰勒」雙星。從這顆雙星中，科學家證明了愛因斯坦的廣義相對論在這兩個緻密天體的強引力場中依然適用——這是首次在太陽系外驗證了廣義相對論。最關鍵的是，他們還證明了這兩個天體繞轉的軌道能正在衰減，衰減率與愛因斯坦的理論精確吻合，是引力波帶走了軌道能。這是引力波存在的第一個證據。

宇宙伽馬射線暴是天文學研究中一項長期懸而未決的問題之一，數十年以來科學家一直致力於弄清這種射線爆發的本質。而對脈衝星的研究將有助於揭開伽馬射線暴之謎。最新的研究成果表明，宇宙伽馬射線暴很可能與脈衝星有密切的關係。如一顆名為「赫明」的脈衝星年齡大約為35萬歲，其體積並不大，直徑在20公里-30公里之間，與地球的距離約500光年，它因放射明亮而強烈的伽馬射線而聞名於世。也正是因為有了它，人們才認識到中子星是目前已知的唯一的伽馬射線源，因為脈衝星的旋轉速度使得在它們周圍能夠形成一種特殊的空間條件，在這種條件下它周圍距離比較近的電子都能夠獲得接近極限的能量，因而，這些能量就變成了一個名副其實的伽馬射線加工廠。

研究脈衝星對天文學家們來說還具有一項特別重要的意義，那就是能夠對X射線源的探測提供重要的幫助。宇宙間的X射線源有很多，銀河系內正常恆星的星冕都發射X射線，如太陽就是個強X射線源。銀河系內的X射線源還來自黑洞、脈衝星等體積小而密度大的天體。所以，通過對脈衝星的研究，就能在X射線源方面的研究方面有所突破。

此外，脈衝星的研究也被應用到一些實際的用途上。

美國國防部門正致力於為衛星創建脈衝星網路，這是一項應用脈衝星的脈衝來實現自主導航和定位系統的研究和開發的計劃。應用這一技術，就能夠實現確定軍事和通信衛星在太空中的確切位置和時間。

毫秒脈衝星是宇宙中最好的計時工具，每年減慢不到1/108秒。如研究人員發現一顆編號為PSRJ1909-3704的脈衝星，它像高速陀螺一樣地旋轉，每秒鐘轉動339周，非常有規律和準時，幾乎沒有什麼誤差，所以它成為迄今為止所發現的最為準確的「天體物理學時鐘」。

脈衝星不僅能高效加速粒子，而且它們能使這些粒子擁有的能量可同宇宙射線中發現的最高能量相媲美，所以說脈衝星是一座超巨型「宇宙電站」。科學家正設想著能對這些「宇宙電站」的能量加以利用，如果這一設想得到實現，那對人類的貢獻將是無以估量的。

名詞解釋

角動量守恆：角動量亦稱動量矩，是描述物體轉動狀態的量。角動量守恆亦稱動量矩守恆，是物理學中重要定律之一。簡單的說，角動量守恆是指任何物質系統在不受外力作用或所受外力作用之和為零時，它的總角動量保持不變。

脈衝：「電脈衝」的簡稱，是指電流或電壓短暫的起伏變化。脈衝的形狀有矩形、梯形、三角形、鋸齒形等，常見的是矩形脈衝。脈衝所能達到的最大值稱為「脈衝寬度」。形狀、幅度和寬度是脈衝的主要參數。周期性重複的脈衝每秒出現的個數稱為「脈衝頻率」，其倒數稱為「脈衝周期」。

偏振：橫波的震動矢量（垂直與波的傳播方向）偏於某些方向的現象。縱波只沿著波的方向振動，所以沒有偏振。

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