天文時鐘——脈衝星

天文時鐘——脈衝星

發現

輸入文字輸入文字1967年夏，英國劍橋大學的女研究生Jocelyn Bell在使用射電望遠鏡進行星際閃爍的觀測時，Bell發現了一個奇怪且周期極其規則的脈衝信號。起初，其導師Hewish認為這是外星人的向地球發出的信號（即著名的「小綠人」），但接下來發現的多個不同方向的類似脈衝信號排除了「小綠人」猜想。進一步的觀測數據表明，該脈衝信號的頻率極其穩定，其周期變化相當於幾百萬年僅變化1s。Bell進一步的色散測量發現該信號源距地球約幾萬光年，這意味著該脈衝信號源於銀河系內的天體——脈衝星。

簡介

脈衝星，正是20世紀30年代科學家預言的中子星，脈衝星是具有強磁場的快速自轉的中子星，其具有體積小（半徑~10 km），密度大（~10^14 g/cm^3），磁場強（~10^8 T）等特點。

脈衝星與類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子並稱為20世紀60年代四大天文發現，Hewish則因此發現獲得了1974年的諾貝爾物理學獎。（但是，其學生Bell卻被諾貝爾獎忽視了，在當時，這事兒引發了不小的爭議，如今，Jocelyn Bell被學術界尊稱為「脈衝星之母」）

脈衝星的形成

我們由前面知道脈衝星是一種中子星，而中子星，是大質量恆星演化到末期的終點之一，是大質量恆星在演化末期經超新星爆發而形成的天體。（這也是為什麼我們可以在許多超新星遺迹發現脈衝星，如M1蟹狀星雲內部的脈衝星PSR0531-21就是我國在宋朝時記錄的天關客星經超新星爆發後形成的）。另外，由於中子星得到了母恆星大部分的角動量，對於這部分角動量，由物理學角動量守恆的知識我們知道，中子星的半徑極小，則轉動慣量很小（相對於母恆星而言），那麼其自轉角速度就會很大，從而導致了脈衝星極短的自轉周期（數量級在幾秒到幾毫秒間）。

脈衝星輻射的產生

目前，脈衝星輻射產生的公認模型是燈塔模型，脈衝星是旋轉的強磁場輻射天體，周期性變動的磁場將產生周期性變動的電場，進而產生電磁波，另外，就像地球一樣，脈衝星的自轉軸與磁軸間存在夾角，這樣，當星體旋轉時，磁極處發出的輻射像光束一樣掃過太空，好比航海燈塔。當輻射束掃過地球時，地球便可以觀測到一次脈衝。

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脈衝星的分類

脈衝星種類豐富，其分類標準也有很多。如，根據輻射能段的不同分為射電脈衝星，X射線脈衝星和γ射線脈衝星等；根據演化歷史和自轉周期，可分為常規脈衝星和毫秒脈衝星。

脈衝星計時

脈衝星的自轉具有高度穩定性，這主要體現在其自轉周期變化率上。比如，脈衝星中的毫秒脈衝星（周期在1~10 ms範圍內），其自轉周期變化率一般分布在10^-18~10^-21 s/s，所以脈衝星被譽為自然界最穩定的天文時鐘，可以與地面上的氫原子鐘和銫原子鐘媲美，天文學家設想使用脈衝星作為計時標準，進行空間衛星的自主導航。比如，目前，中國開展的X射線脈衝星導航技術研究屬於基礎性、前沿性和戰略性課題，具有重要的學術理論意義和實際工程應用價值。

脈衝星與引力波探測

在1974年，天文學家發現了一個脈衝雙星系統，通過對其中那顆脈衝星脈衝信號的觀測可以通過多普勒效應得到該雙星系統的軌道周期，而按照愛因斯坦廣義相對論預言可以完成的，從而達到了間接檢驗引力波的作用。因此，兩位天文學家Taylor和Hulse獲得了1993年的諾貝爾物理學獎的引力波，該雙星系統的軌道周期會變短，由於脈衝信號的高度穩定性使得該變短效應的測量是。

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撰稿 | 天文社器材部許朔

圖文編輯 | 天文社網宣部

參考|劉學富.基礎天文學【M】.北京：高等教育出版社，2004:243-250

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