23.4: 脉冲星和中子星的发现
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释导致发现位于数百或数千光年之外的中子星的研究方法
- 描述允许中子星作为脉冲星被探测到的特征
- 列出将脉冲星和中子星与超新星联系起来的观测证据
二型超新星爆炸消失后，剩下的要么是中子星，要么是更奇怪的东西，一个黑洞。 我们将描述黑洞和曲面时空中黑洞的特性，但现在，我们要研究一下我们之前讨论的中子星是如何被观测的。
中子星是宇宙中最密集的物体；它们表面的重力比我们在地球表面所经历的重力大10 11 倍。 中子星的内部由大约 95% 的中子组成，其中混合了少量的质子和电子。 实际上，中子星是一个巨大的原子核，其质量约为质子质量的10 57 倍。 它的直径更像是小城镇或小行星的大小，而不是恒星的大小。 （表中\(\PageIndex{1}\)比较了中子星和白矮星的特性。） 因为它很小，所以中子星可能会撞击你，因为这是在数千光年之外最不可能被观测到的物体。 然而，中子星确实设法在广阔的太空海湾中发出信号。
| 财产 | 白矮星 | 中子星 |
|---|---|---|
| 弥撒（太阳 = 1） | 0.6（总是 <1.4） | 总是 >1.4 和 <3 |
| 半径 | 7000 km | 10 km |
| 密度 | 8×10 5 g/cm 3 | 10 14 g/cm 3 |
中子星的发现
1967年，剑桥大学研究生乔斯琳·贝尔正在使用一种特殊的探测器研究远程无线电源，该探测器是由她的顾问安东尼·休维什设计和制造的，目的是寻找无线电信号的快速变化。 项目计算机喷出了大量的纸张，显示了望远镜在哪里测量了天空，而Hewish的研究生的工作是仔细研究这一切，寻找有趣的现象。 1967 年 9 月，贝尔发现了她所谓的 “有点麻烦” ——一种奇怪的无线电信号，与以前见过的任何信号都不一样。
贝尔在 Vulpecula 星座中发现的是快速、尖锐、强烈和极其规律的无线电辐射脉冲的来源。 就像时钟的常规滴答声一样，脉冲精确地每隔 1.33728 秒到达一次。 这种精确性首先使科学家们猜测他们可能发现了来自智能文明的信号。 射电天文学家甚至半开玩笑地将来源称为 “LGM”，意为 “小绿人”。 但是，很快，在天空中相隔很远的方向发现了三个相似的来源。
当这种无线电源显然相当普遍时，天文学家得出结论，它们极不可能成为来自其他文明的信号。 到目前为止，已经发现了2500多个此类来源；它们现在被称为脉冲星，是 “脉动无线电源” 的缩写。
不同脉冲星的脉冲周期从略长于1/1000秒到将近10秒不等。 起初，脉冲星看起来特别神秘，因为在可见光照片上看不到任何东西。 但是随后在螃蟹星云的中心发现了一颗脉冲星，这是由中国人在 1054 年记录的超新星 SN 1054 产生的气体云（图\(\PageIndex{1}\)）。 来自螃蟹星云脉冲星的能量以每秒发生30次的急剧爆发形式到达，这种规律性会让瑞士制表师羡慕不已。 除了无线电能量的脉冲外，我们还可以观察来自螃蟹星云的可见光和X射线的脉冲。 脉冲星就在超新星残余物区域，我们预计剩下的中子星将立即被提醒天文学家，脉冲星可能与这些难以捉摸的大型恒星 “尸体” 有关。
螃蟹星云是一个引人入胜的物体。 整个星云在多个波长的辐射下发光，其总能量输出是太阳的100,000倍以上，对于将近一千年前爆炸的超新星的残余物来说，这不是一个坏把戏。 天文学家很快开始寻找脉冲星与周围星云的大量能量输出之间的联系。
观看乔斯林·贝尔（Burnell）的有趣采访，了解她的生活和工作（这是美国物理学会的一个项目的一部分，该项目旨在记录对开创性科学家在世时的采访）。
旋转灯塔模型
通过将理论和观测相结合，天文学家最终得出结论，脉冲星一定是在旋转中子星。 根据这个模型，中子星就像岩石海岸上的灯塔（图\(\PageIndex{2}\)）。 为了向四面八方警告船只，但又不花太多运行成本，现代灯塔中的灯光会转动，将其光束横扫过黑暗的大海。 从飞船的有利位置看，每当光束指向你的方向时，你都会看到光脉冲。 同样，来自中子星上一个小区域的辐射会横扫太空海洋，每次光束指向地球时都会产生辐射脉冲。
中子星是这种工作的理想人选，因为崩溃使它们变得如此之小，可以非常迅速地转动。 回想一下牛顿大合成中的角动量守恒原理：如果物体变小，它可以更快地旋转。 即使母恒星在主序列上旋转得非常缓慢，但当它崩溃形成中子星时，它的旋转速度也必须加快。 中子星的直径仅为10到20千米，可以在不到一秒钟的时间内完成一次完整的旋转。 这正是我们在脉冲星脉冲之间观察到的那种时间段。
当核心崩溃为中子星时，原始恒星中存在的任何磁场都会被高度压缩。 在中子星的表面，在由普通物质（而不仅仅是纯中子）组成的外层中，质子和电子被困在这个旋转场中，并几乎加速到光速。 只有在两个地方，即北磁极和南磁极，捕获的粒子才能逃脱磁场的强大控制（图\(\PageIndex{3}\)）。 在地球上也可以看到同样的效果（相反），在地球上，除了两极附近，来自太空的带电粒子在任何地方都被我们星球的磁场所阻挡。 因此，地球的极光（由带电粒子高速撞击大气层时引起）主要出现在两极附近。
请注意，在中子星中，磁性北极和南极不必靠近由恒星旋转定义的北极和南极。 同样，我们在《巨型行星》一章中讨论了天王星和海王星上的磁极与行星自旋的极点不对齐。 图中\(\PageIndex{3}\)显示了垂直于旋转极点的磁场极点，但是这两种磁极可以形成任何角度。
实际上，旋转轴与磁轴的偏差在该模型中观测到的脉冲的生成中起着至关重要的作用。 在两个磁极处，来自中子星的粒子聚焦在狭窄的光束中，然后以极快的速度从旋转的磁区流出。 它们在很宽的电磁频谱范围内发射能量。 辐射本身也局限于狭窄的光束中，这就解释了脉冲星为什么像灯塔一样起作用。 当旋转首先将恒星的一个磁极带入我们的视野时，我们每次都能看到辐射脉冲。
模型测试
用来自高磁性和快速旋转的中子星的辐射束来解释脉冲星是一个非常聪明的主意。 但是我们有什么证据证明这是正确的模型呢？ 首先，我们可以测量一些脉冲星的质量，结果证明它们的质量确实在太阳的1.4到1.8倍之间，这正是理论家对中子星的预测。 对于作为双星系统成员的少数脉冲星，质量是使用开普勒定律找到的。
但是有一个更能证实的论点，它使我们回到了螃蟹星云及其巨大的能量输出。 当来自中子星脉冲星的高能带电粒子撞击来自超新星的移动速度较慢的物质时，它们会为这种物质提供能量并使其以许多不同的波长 “发光”，这正是我们从螃蟹星云中观察到的。 脉冲星光束是一种能源，在制造星云的恒星最初爆炸很久之后 “点亮” 星云。
谁为我们看到的像螃蟹星云这样的残余物产生的所有能量 “付账单”？ 毕竟，当能量从一个地方出现时，它必须在另一个地方耗尽。 我们模型中的终极能量源是中子星的旋转，它将带电粒子向外推动，并以极快的速度旋转其磁场。 由于它的旋转能量年复一年地被用来激发蟹状星云，星云内的脉冲星会减速。 随着它的减速，脉冲出现的频率会降低一些；速度较慢的中子星会经过更长的时间才能将其光束带回来。
几十年的仔细观察表明，螃蟹星云脉冲星并不像我们最初想象的那样是一个完全常规的时钟：相反，它正在逐渐减速。 在测量了脉冲星减速的程度之后，我们可以计算出中子星损失了多少旋转能量。 请记住，它非常密集，旋转速度惊人。 即使是微小的减速也可能意味着巨大的能量损失。
令天文学家满意的是，事实证明，脉冲星损失的旋转能量与其周围星云产生的能量相同。 换句话说，旋转中子星的减速可以准确地解释为什么螃蟹星云会像我们观察到的能量一样发光。
脉冲星的演变
根据对迄今发现的脉冲星的观测，天文学家得出的结论是，每25到100年在银河系的某个地方诞生一颗新的脉冲星，与估计超新星的发生速度相同。 计算表明，脉冲星的典型寿命约为1000万年；此后，中子星的旋转速度不再足以产生大量粒子和能量束，也无法再观测。 我们估计，我们的银河系中大约有1亿颗中子星，其中大多数的旋转速度太慢，没有引起我们的注意。
螃蟹脉冲星相当年轻（只有大约960岁），周期很短，而其他较老的脉冲星已经减速到更长的时间。 已有数千年历史的脉冲星损失了太多的能量，无法在可见光和X射线波长下明显发射，而且它们只能作为无线电脉冲星观测；它们的周期为一秒或更长。
还有一个原因我们只能看到银河系中脉冲星的一小部分。 再考虑一下我们的灯塔模型。 在地球上，所有船只都靠近同一架飞机（海面），因此可以建造灯塔将其光束扫过该表面。 但是在太空中，物体可以在三维的任何地方。 当给定的脉冲星的光束在太空中扫过一个圆圈时，绝对无法保证这个圆圈会包括地球的方向。 实际上，如果你考虑一下，太空中不包括地球的圈子比包括地球的圈子要多得多。 因此，我们估计我们无法观测到大量的中子星，因为它们的脉冲星光束完全错过了我们。
同时，事实证明，迄今为止发现的脉冲星中只有少数嵌入了标志着超新星残余物的可见气体云中。 起初这可能看起来很神秘，因为我们知道超新星会产生中子星，我们应该期望每颗脉冲星的生命都是在超新星爆炸中开始的。 但事实证明，脉冲星的寿命比超新星残余物的膨胀气体分散到星际空间所需的时间长约100倍。 因此，大多数脉冲星都是在没有其他产生脉冲星的爆炸痕迹的情况下发现的。
此外，一些脉冲星是由并非所有方向都相同的超新星爆炸喷射出来的。 如果一侧的超新星爆炸更强，它可以将脉冲星完全从超新星残余物中踢出来（一些天文学家称之为 “出生一脚”）。 我们之所以知道这种情况会发生，是因为我们在附近的星系中看到了许多年轻的超新星残余物，在这些星系中，脉冲星位于残余物的一侧，并以每秒数百英里的速度奔跑（图\(\PageIndex{4}\)）。
被中子星触摸
2004年12月27日，地球被一颗名为SGR 1806-20的中子星发出的X射线和伽玛射线辐射流沐浴。 这次事件之所以如此引人注目，是因为尽管辐射源距离很远，但其辐射浪对地球大气层产生了可衡量的影响。 这种伽玛射线耀斑的表观亮度比任何历史上的恒星爆炸都要大。
辐射的主要影响是在地球大气层高处的一个称为电离层的层上。 在晚上，电离层的高度通常约为85千米，但是在白天，来自太阳的能量会电离更多的分子，并将电离层的边界降低到大约60千米的高度。 X 射线和伽玛射线辐射的脉冲产生的电离水平与白天的太阳差不多。 它还导致大气层上空的一些敏感卫星关闭了电子设备。
太空望远镜的测量结果表明，SGR 1806-20 是一种特殊类型的快速旋转中子星，称为磁星。 天文学家罗伯特·邓肯和克里斯托弗·汤姆森之所以给他们起这个名字，是因为它们的磁场比任何其他类型的天文源都要强——在这种情况下，它们的磁场比地球磁场强约800万亿倍。
人们认为，磁星由超密的中子核心组成，周围环绕着大约一英里深的原子硬壳，表面由铁制成。 磁星的磁场非常强大，以至于它在内部产生了巨大的应力，有时会破裂坚硬的地壳，从而产生星夸克。 振动的地壳会产生巨大的辐射爆炸。 宇航员离开这颗特殊的磁星0.1光年，将在不到一秒钟的时间内从爆炸中获得致命的伤害。
幸运的是，为了安全起见，我们与 magnetar SGR 1806-20 的距离已经足够远了。 磁星会对地球构成真正的危险吗？ 为了产生足够的能量来破坏臭氧层，磁星必须位于环绕太阳系的彗星云中，而且我们知道没有磁星离得那么近。 尽管如此，遥远的恒星尸体上的事件可以对地球产生可测量的影响，这是一个引人入胜的发现。
关键概念和摘要
至少有一些超新星会留下高磁性、快速旋转的中子星，如果它的逃逸粒子束和聚焦的辐射指向我们，则可以将其观察为脉冲星。 脉冲星定期发出快速的辐射脉冲；它们的周期在0.001到10秒之间。 旋转的中子星就像一座灯塔，将它的光束围成一圈，当光束横扫地球时会给我们一个辐射脉冲。 随着脉冲星的老化，它们会失去能量，旋转速度变慢，周期会增加。
词汇表
- 脉冲星
- 一种物理体积小的可变无线电源，在非常规律的时间段内发出非常快速的无线电脉冲，范围从几分之一秒到几秒不等；现在人们认为它是一颗旋转的磁性中子星，其能量足以产生可探测的辐射束和粒子