第七章 脉冲星.doc

第七章脉冲星 科学是由理论和实验（对天文学来说是观测）来建立的，二者相互映照，时而这个领先，时而那个获胜。中子星是理论预言领先于观测发现的最美妙事例之一。 杰姆斯查德威克（James Chadwick）爵士1932年在实验室里发现中于并获得1935年的诺贝尔奖。据说著名的俄国物理学家列夫朗道（Lev Landau）和他的小组在发现中子后马上预测存在一种完全由中子组成的星，不幸的是，朗道没有立即发表自己的预测。两年后，两位密切注意粒子物理学发展的美国天体物理学家摘取了果实。由与白矮星类比而受到启发（拉尔夫富勒提出白矮星是以电子简并压来支撑自身重量），弗里兹兹维基和瓦尔特巴德建议，中子能产生一种简并压，并能支持质量超过钱德拉塞卡极限的恒星残骸。他们俩对1054年超新星的遗迹蟹状星云很有兴趣，星云中心有一个萎缩的天体，但不是白矮星。 第二次世界大战爆发前不久，罗伯特奥本海默（RobertOPPenheimer，后来的原子弹之父）和沃尔科夫（GVolkofD提出了一种严格意义上的中子星理论。他们特别证明，对于质量与太阳相当的恒星，简并中子的流体静力学平衡是可以实现的。 他们的工作被天文界客气地置之一旁。卡米尔弗拉马里昂（CammeNammaho著名的普通天文学于1955年出版，在这本（首先激起我对天文学的热爱的）书中，仅有几行字提到兹维基的革命性理论，并说“这是些不可能由观测检验的含糊思想”。观测检验不得不再等待12年。 空中灯塔 我在这儿搞一项新技术来拿博士学位，可一帮傻乎乎的小绿人却选择了我的天线和我的频率未同我们通讯。 乔丝琳贝尔（Jocelyn Bell） 1967年，剑桥大学一名年轻研究生乔丝琳贝尔，从她的导师安托尼休伊斯（Antnony Hewish）那里接受了一项任务，检查和改进用于测量遥远射电源辐射的新射电望远镜。在用手工分析记录器打出来的几百米长的微米波图纸时，她的兴趣被一个精确地每隔l刀730133秒出现一次的周期性信号所吸引。贝尔小姐偶然发现的，正是一颗发出射电脉冲的星：脉冲星。 很快又陆续发现了其他的脉冲星。1968年在蟹状星云和船帆座超新星遗迹里也找到了脉冲星。在好几个月里，极大的兴奋甚至扩散到了天文界以外，有人认为，按如此精确的间隔到达的空中信号只能是来自人工源，是由一种像科幻小说里的“小绿人”那样的外星人瞄准我们发出的。在还没有正式名称时，头一批脉冲星曾被幽默地称作小绿人一号、二号等等。这只是天文学家开的玩笑，却被大众传媒想象为与外星人接触而兴奋激昂。 与此同时，理论天体物理学家在严肃地思考。1968年弗兰科帕齐尼（FrancoPacini）和托马斯歌尔德（ThomasGold）提出，脉冲星是快速旋转的中子里，他们的基本思想如下：中子星有强磁场，在场中运动的带电粒子（电子和质子）发出同步辐射，形成一个与中子星一起转动的射电波束，于是随着星体的自转，每当射电束扫过射电望远镜天线时，地球上就收到一个脉冲（图对）。这种灯塔效应的发生是因为中子显的自转轴和磁轴不重合，而这是天文学中常见的现象。 这个简单而又完整的解释立即被接受，成为专家们采用的有效模型。安托尼休伊斯由于他的射电望远镜设计而获得1974年诺贝尔奖一一而脉冲星的发现只是在乔丝琳贝尔博士论文的一个附录里被提到！ 一类更极端的星 为什么脉冲星的旋转和磁场这么重要呢？ 中子星是在质量足够大的恒星的核心坍缩时形成的。角动量守恒定律使最初很小的旋转速度放大到极高的值，这同冰上运动员收拢手臂来增加旋转速度是一样的道理。磁场线就像是冻结在恒星物质上，与星体一起转动，当恒星坍缩时，磁场线被挤紧，磁场就增强。 事实上在许多方面，中子星就是白矮星的一种更极端化的变体。它的半径大约只有7公里，从白矮星到中子星的尺度缩减甚至比从太阳到白矮星的缩减还要厉害，而与从红巨星到太阳的缩减相当。中子星的平均密度每立方厘米可不是1吨，而是1亿吨。太阳绕自己的轴每25天旋转一周（它是较差转动，转动速度与纬度有关），而中于星是作刚体转动，转周还不到1秒钟（一般认为孤立自矮星要么转得很慢，要么根本不转）。磁场也是如此：太阳的磁场与地球的相似，约为1高斯2白矮星的磁场可达1亿高斯；而对中子星来说磁场是集中在一个小了几十亿倍的表面上，因而高到1 亿高斯（实验室里人工能得到的最高磁场是30万高斯，是由重量超过10吨的巨型电磁铁产生的）。正是这些极端的性质才使对中子星的探测成为可能。 中子星不可能在光谱的光学部分看到，因为它们的热光度虽然是由被加热到1000万度的表面发出，却由于表面积太小而极低。一个直径只有30公里的物体不可能在见光年以外的距离上被看到，而恒星之间的平均距离还远大于此。不过还是有少数脉冲星的光学辐射被探测到了，其中包括蟹状星云和船帆座的脉冲星。光学脉冲与射电脉冲精确同步。船帆座脉冲星是天空中已知最暗弱的星之一，比天狼星要暗200亿倍。 于是，由旋转和磁场所造成的周期性发射不仅在射电频率上而且也在更高的频率上被探测到了。即使在X射线和伽玛射线频率上所有的信号也被星体的旋转以同样方式调制。 狂啸与低语 一般认为，某些脉冲星的高能辐射是在中子星的极冠上发出的。沿磁场线落向极冠的带电粒子以高到接近于光速的速度撞击星体的坚硬外壳而使之剧烈升温。中子星简言之就是一个巨大的旋转磁体，其作用像一台发电机，一个每秒钟转一周的中子星能产生10伏特的电压。在这种条件下，电力能够克服巨大的表面引力而使带电粒子释放并随之被加速。这些粒子立即产生高能伽玛射线，但这种辐射因被磁场抓住而难以逃离，于是转变成电子正电子（电子的反粒子）对。这些对又会湮灭而产生新的伽玛射线，这些伽玛射线稍后又产生出新的电子一正电子对，如此循环，直到辐射逃离这个区域。这个多重粒子产生的过程叫做级联，能使一个由里面释放的粒子产生出几千个粒子。 在脉冲星刮出的电磁旋风里，射电辐射只能算是一点“沙沙”声，但正是这点声响被我们的仪器收到了。脉冲星理论家正在构造脉冲星大气（又称为磁球，由于磁场的根本重要性）的模型，试图解释脉冲星辐射的所有细节。这就像由听声音来推断工厂里架隐藏着的机器的运转状况。 脉冲星的熄灭 如同恒星的命运是由其质量控制一样，脉冲星的命运（这里是指其旋转周期的演化）是由初始磁场决定的。很容易推测出，脉冲星的旋转会随着其能量的损耗而一点点地减慢。由于能量的释放是由磁场造成的，对脉冲星减慢速率的测量就能用来计算中子星的磁场。 由于这个缘故，年轻中子星的旋转就比年老的要快得多。诞生于1054年的蟹状星云脉冲星当然还很年轻，它每秒钟转33次，而年老脉冲星的周期就可能是几秒钟。但是，脉冲星的周期不可能短于1毫秒，如果周期太短，脉冲星的固体外壳就会因承受不了离心力而破碎。 脉冲星的减慢速率是每秒10“到10”秒。这个极低的值仍然可以在一段几年长的时间里测量出来。旋转变得过慢，脉冲式的辐射也就消失了，脉冲星的寿命决不超过几百万年。 超新星与脉冲星 已经几次提到蟹状星云和船机座星云的脉冲星，它们是与著名超新星的遗迹相联系的。但是，在其他很有名的超新星遗迹里就没有找到脉冲星，像仙后座八天鹅座环、第谷超新星（1572）和开普勒超新星（1604）都是如此。脉冲星与超新星遗迹之间的联系是出乎意外的：在截至1991年已知的450颗脉冲星和20o个超新星遗迹中，只有三对结成了伴侣。 有好几种情况可以导致这个意外的结果。最简单的解释是超新星并不留下一个中于星，而是留下某种不同类型的残迹（完全粉碎，或是黑洞），或者是中子星虽在爆发中形成，但又被爆发推到了别处。事实上，母体星的引力坍缩可能并不是严格球对称的，由于旋转轴一般不与磁轴重合，物质的喷射是不对称的，在星体一侧以1万公里秒的速度喷射出占总质量10以上的物质，将给予脉冲星在相反方向上一个每秒数百公里的速度。这种现象就像枪射击时的反冲，是运用动量守恒定律的结果。反冲作用可以使超新星与刚形成的中子星分开，迫使天文学家到别的地方去寻找他们的脉冲星。 也可能许多脉冲星像其他恒星一样，原来是在双星系统中。如果伴星的质量足够大并且也发生了超新星爆发，爆发的威力可能足以使双星系统被撕开，并给予脉冲星（中子星）以如实际观测值那么大的速度（lk60公里秒）。 对于几乎所有超新星遗迹中都未见脉冲星这一现象的另一种可能解释是，中子星是存在的，但脉冲辐射现象要么不够强，要么不能从地球上观测到。脉冲星辐射的基本特征是各向异性，脉冲星像一座灯塔，辐射是集中在一个与旋转轴有一定倾角的狭窄推里。如果发射锥的取向不适当，光束就永远不会扫过地球，因此，许多中子星虽然实际上是脉冲星，但不能被地球上的天文学家作为脉冲星观测到。 脉冲星一般都比超新星遗迹要老。脉冲射电辐射时期只是中子星寿命很有限的一段，但比超新星遗迹的寿命要长得多。由旋转减慢速率估计的脉冲星平均寿命约是300万年（但最老的在10亿年以上），在这个时间里也发出射电辐射的超新星星云已完全消散，于是，观测到的脉冲星就比超新星遗迹要多得多，银河系里脉冲星的总数可能高达数万。 空中旋转冠军 1982年发现了一颗每秒自转660次（即周期为15毫秒）的超快脉冲星。它的减慢速率是如此微小（每秒109秒，即自转周期在100年里增大10rp秒），至比地球上用作“标准”时间的最好的钻原子钟还要精确。 这颗星被记为R193721（数字是其赤道坐标，即赤经为19时37分，赤纬为十21“），它提出了一个特别有趣的理论问题。如果它的磁制动是这么弱，磁场强度就必定比蟹状星云和船帆座星云脉冲星的磁场要小1万倍。但按照通常的关于脉冲星形成的观点，磁场很弱意味着年龄很大，而这又与其极高的旋转速度完全不符，怎样调解这个矛盾呢？ 一个非常有吸引力的理论模型是，脉冲星是双星系统的一员，其旋转被来自伴星的气流加速。这个主意被最近发现的另外两个超快脉冲星所证实，一个的周期是55毫秒，另一个是6毫秒，它们都有明显的伴星。但是没有找到PSR1937ZI的伴星，当然也有可能那伴星原是颗挨得很近的白矮星。这样一个系统的引力辐射将使轨道收缩，直到两颗星碰撞，白矮星被强大的潮汐力撕开而不复存在，中子星因受到碰撞，其旋转速度就增大到现在的观测值。 如同一颗属于双星系统的普通恒星的演化过程会由于两颗星之间的物质转移而改变一样，双星中脉冲星的演化也与孤立的脉冲星不同。对一些具有特征性磁场值和旋转速度值的脉冲星的观测绘中子星的形成以新的启示。有的中子星的确可以属于双星系统，它们不是直接形成于超新星核心的引力坍缩，而是由于白矮星因捕获身旁伴星的气体而不断增大质量，终于超过钱德拉塞卡极限而紧缩成中子星，就像最后如根草压垮了骆驼背。 脉冲双星的大贡献 迄今知道有一打射电脉冲星是在双星系统里。这种存在方式的好处之一是能够借以测定中于星的质量。这一打脉冲星中有一颗，即19N年发现的四RI叨316，又远比所有其他的都重要得多。它在天鹰座，距离地球为17000光年，本身是一颗质量为14M的中子星，在被发现时的射电脉冲频率是每秒 1694次（此后的旋转速度在衰减）。独特之处在于那颗“沉默”的伴星也是颗具有同样质量的中子星。两颗致密星靠得极近，相距只有几百万公里，以7小时45分的周期相互绕转。这个双星系统为广义相对论关于物质加速时以引力波形式辐射能量的预言提供了一个理想的检验（见第18章）。双星轨道能量的损耗必然导致轨道的收缩，而表现为轨道周期的缓慢衰减。 根据爱因斯坦理论所作的计算与在12年里仔细记录的观测结果精确相符。大多数其他的引力理论则与这些观测不符。PSR191316的轨道周期每年减小兀毫秒，在大约3亿年里两颗中子星将碰在一起，并产生最后的引力辐射爆发。 星震 还有另外一个改变脉冲星旋转状态的现象，但这次是一种加速星体的突然事件，称为频率突增（这个词取自电子学，是指一种使本来运行完好的部件受到影响的短暂突发事件）。它在几天里使脉冲星的周期减小十万分之一秒（即使旋转速度增大，图24）。船帆座脉冲星在1969年2月突然转快，在1971年和1976年又先后发生了两次。其他几个脉冲星也有过频率突增的现象，包括蟹状星云脉冲星。但是旋转速度的这种突然增长是很小的，大约一个月后，由于磁制动导致的自然减慢，中子星又恢复突增前的旋转速度。 这种频率突增现象能用由不稳定性所导致的、影响中子星外壳并急剧改变其转动惯量的“星震”来解释。一个快速旋转的中子星，其两极处会稍微变平，赤道上会稍微张大，随着时间的增长，这种变形所引起的表面张力会变得非常大，表面就会被无情地撕裂，以实现再调整。裂缝虽只有毫米量级，释放的能量却大得惊人：中子星的震动可达里氏25级（里氏级是用来量度地震所释放的能量的，每增大一级表示能量增大20倍），而地球上记录的最剧烈震动从未超过89级。 但是，船帆座脉冲星已经历几次星震的事实引起了一些天体物理学家对表面震动模型可靠性的怀疑，因为这种模型所预计的两次震动之间的间隔应是数百年而不是数年。现已提出对频率突增的其他解释，包括对中子星结构的根本性修改：中子星深层的湍流运动，或甚至是其核心的“相变”（类似于由液态变成固态），都会迫使其外壳重新调整。 频率突增的确能提供关于中子星内部结构详情的重要信息，这是一个天文观测为粒子物理提供帮助的极好例证。那么，我们对中子星的内部结构究竟知道多少呢？ 中子星内部 乍看之下，中子星就是一个巨大的原子核。不同的只是，中子星是由引力来维持的，原子核则依靠核力。 在中子星内，在只不过是几公里的距离上，引力是如此之强，它能把物质固定在非常确定的结构中。主要表现之一是表面上的所有不规则性都被消除，中子星上最高的山峰只有几厘米高。所有导致脉冲星电磁辐射的现象都发生在一个热到1000万度的薄薄外层。 中子星的内部结构仍在猜测之中，一种可能的描述如图万所示。星体由一层1公里厚的铁壳包着，铁原子核组成的固体晶格沉浸在简并电子海里，密度由每立方厘米1吨（正是白矮星的密度）向内增至每立方厘米40万吨。 往下是“慢层”。这一层中越向内深入，铁核中包含的中子就越多，但同时又越难以保持住，中子在一定程度上发生衰变。在大约5公里的深处，中子从核中逃离，在简并海中分解，产生的质子簇在这个海中漂浮，密度增大到每立方厘米1亿吨。 在大约10公里的深处，中子物态成为星体的最重要成分。难以置信的压力使晶体结构液化为主要由中子、质子和电子组成的液体。这种液体可能是超流体，一种具有奇特性质的理想流体：完全没有粘滞。粘滞总是趋于消除液体中的任何不规则性，因此蜂蜜的粘滞性就比水大，而超流体里的一个旋涡能保持数月之久（实验室里可以把氦冷却到很接近于绝对零度而变成超流体）。 最后是半径约为1公里的固体核心，其组成还远不能确定，因为我们对在超过每立方厘米10亿吨的高密度下物质可能存在的状态还几乎一无所知。但是我们仍能像对在原子核中发现的基本粒子的性质那样进行推测，各种有着奇怪名称的模型已被发明出来：固体中子晶格，介子凝聚体，夸克物质，强子汤，等等。 致密物质的奥秘 中子星的温度、密度、压强和磁场等极端条件是实验室里不可能复制出来的，因而为核物理、原子物理、等离子体物理、相对论和电动力学等现代物理学科展开了崭新的视野。 我们已经清楚地看到，为了描述中子星的内部，就必须将未能揭开高密度物质奥秘的实验物理予以扩展。迄今对致密物质的状态方程（即支配热力学量变化的定律，例如压强可以表示为密度或其他量的函数）还几乎一无所知，但是，它应当是限制在两个极端情况之间，一个极端是自由气体，其中的粒子不受任何力；另一个极端是“硬”态，即物质具有最大刚性的状态，其中的声速等于光速（物质中的声速随其刚性而增大，空气中的声速是330米秒，水中是1500米秒，钢中是5公里秒）。 所有允许的状态和所有的物质形式都处在这两个极端状况之间。但当涉及中子星时，对这两个极端之间的许多种可能性的选择却只能依靠对基本粒子间强相互作用的还很贫乏的认识。 幸运的是，有一个很重要的性质不太依赖于具体的致密物质状态方程，这就是中于星的最大可能质量。白矮星不能支持超过14M的质量，因为超过这个限度时，作为主要成分的简并电子就成为相对论性的，星体就在自身重力下坍缩。同样道理，中于星也不可能支持任意大量物质的堆积。稳定性极限对应着简并中于在巨大引力作用下变成相对论性的瞬间。 为着以与白矮星相同的精度来计算中于星的最大质量，就需要知道与简并电子情况同样精确的简并中子物态方程，但现在还无人知道。但是，由下述推断可以得到极限质量的一个很好近似。中子星的密度从外壳向核心增大，在某一中间点达到原子核的密度，从这一点起物态方程的采用就必须谨慎。于是，由实验已经知道的亚原子核密度的物态方程就可以用来描述中子星的外层，对核心部分则采用最大刚性状态的方程，两个结果再合起来，总质量就是外壳质量与核心质量之和。 这样得到的极限质量是3ZM，这个极值很可能偏高。更精细的模型绘出的值在2到3Mpe 间。这些结果的根本意义在于，一个新问题立即出现：质量更大的恒星，引力坍缩的产物是什么？之久（实验室里可以把氦冷却到很接近于绝对零度而变成超流体）。 最后是半径约为1公里的固体核心，其组成还远不能确定，因为我们对在超过每立方厘米10亿吨的高密度下物质可能存在的状态还几乎一无所知。但是我们仍能像对在原子核中发现的基本粒子的性质那样进行推测，各种有着奇怪名称的模型已被发明出来：固体中子晶格，。介子凝聚体，夸克物质，强子汤，等等。 致密物质的奥秘 中子星的温度、密度、压强和磁场等极端条件是实验室里不可能复制出来的