脉冲星就是中子星课件

现代天文学

（诺贝尔奖天文学奖项回顾）讲授提纲

现代天文学1第六章射电脉冲星与中子星1，中子的发现和中子星的预言2，贝尔和休伊什发现脉冲星3，“小绿人”和地外文明4，脉冲星就是中子星5，中子星形成理论6，休伊什获1974年诺贝尔奖第六章射电脉冲星与中子星21，中子的发现和中子星的预言1，中子的发现和3中子的发现直到1930年，物理学家还不知道原子核中有中子存在。中子发现的意义远远超出原子物理学的范围，向天体物理学提出挑战：在宇宙中有没有“完全由中子组成的恒星？”中子的发现4中子星的预言：

1932年，发现中子后就预言中子星的存在；1939年,提出中子星的结构1934年，提出超新星爆发可以产生中子星1967年，指出蟹状星云中有一颗自转的磁中子星中子星的预言：5中子星的光度特别小

光度是和恒星的表面积成正比，天狼星伴星的表面积比天狼星小1万倍，半径约为7000千米。中子星的半径10千米，光度小多少？答案是几十亿倍。中子星的光度特别小6中子星在哪里呢？

天文学家处于一问三不知的窘境，一是不知道中子星的辐射主要在射电波段；二是不知道中子星的辐射是脉冲形式；三是不知道中子星自转得是如此之快。这不是天文学家的过错，天文学研究的魅力所在，就是它常常出人意料。中子星在哪里呢？7蟹状星云能源之谜

蟹状星云：射电、光学、X和γ射线辐射。把蟹状星云所有频率上的辐射加起来，相当于十万个太阳的辐射。一团稀薄的气体，其能量来自何方？

蟹状星云能源之谜8光学观测发现蟹状星云在膨胀，每年大约0.2角秒左右，而且膨胀速度在加快。星云膨胀加速度的能量由谁来提供？同步辐射：高能带电粒子＋磁场，高能电子来自何方？磁场是怎样形成的？光学观测发现蟹状星云在膨胀，9帕齐尼预言（1967年发现脉冲星之前）

蟹状星云中的一颗中子星，每秒自转多次，具有很强的磁场，提供蟹状星云所需的能量。帕齐尼预言10休伊什观测蟹状星云1965年他用行星际闪烁方法测出了蟹状星云中存在一个致密成分，其角径只有约0.2角秒，亮温度达到1014K。当时他就指出这个致密成分可能是1054年超新星爆发的遗留物。可惜，他并没有认识到这个致密源就是中子星。休伊什观测蟹状星云112，贝尔和休伊什发现脉冲星2，贝尔和休伊什12休伊什生平休伊什1924年5月11日出生，中学毕业后进了剑桥大学，学了一年参军。战争期间，他参与机载反雷达设备的研究，指导空军人员使用雷达干扰设备。1946年第二次世界大战结束后休伊什回到剑桥继续学习，1948年毕业后被推荐进入卡文迪什实验室工作。1952年获博士学位后，在卡文迪什实验室成为赖尔的助手。休伊什生平13乔丝林·贝尔乔丝林·贝尔小姐是休伊什的博士生，当时24岁。贝尔在英国格拉斯哥大学获物理学学士以后就想攻读天文学博士学位。她首选的是焦德尔班克天文台，可是由于工作人员把她的申请丢失，她才到了剑桥大学。脉冲星就是中子星课件14

行星际闪烁研究星星为什么向我们眨眼？地球大气对流层中空气密度的不规则变化和扰动对光波的影响。地球的电离层对无线电波的作用也会产生闪烁。太阳系行星际空间充满着由太阳风所带来的密度不均匀的等离子体，它们也会使射电波发生闪烁。行星际闪烁研究15行星际闪烁的特点行星际介质对射电波所产生的闪烁现象是快速的，在秒的数量级。只有角径很小的射电源通过行星际空间才有闪烁现象。行星际闪烁的特点16类星体1963年，20世纪60年代四大发现之一。它们具有像恒星那样小的角径（小于1角秒），但不是恒星。有很大的红移，类星体是迄今为止天文学家所知道的距离最遥远、能量最大的天体。类星体17

剑桥大学的闪烁望远镜1965年，决定采用行星际闪烁技术大规模地确认类星体。研制专门用于行星际闪烁的大型射电望远镜。天线面积：长470米宽45米宽的矩形天线阵，由16排，每排128个振子天线共2048个振子组成。固定不动。3.7米的波长：闪烁比较强；望远镜造价低，制造容易。时间分辨率达到0.1秒。剑桥大学的闪烁望远镜18繁重的观测和资料处理任务贝尔负责观测，每周重复巡视一次，每天记录纸有七八米。6个月的观测取得5.6千米的记录纸的原始资料。区分闪烁源和干扰成为每天必做的工作。在观测程序上，每隔一周重复观测一次，这样才能把干扰识别出来。繁重的观测和资料处理任务19贝尔发现不寻常“闪烁源”67年8月，贝尔注意到一个发生在深夜的“闪烁源”。夜晚太阳风很弱，强闪烁源是不会发生在夜晚的。在排除了人为干扰和确认这个信号遵守恒星时以后，休伊什认为可能是一颗来自太阳系之外的射电耀星。贝尔发现不寻常“闪烁源”20确认是来自太阳系外的信号对这个信号的监测发现，它遵守恒星时，而不是太阳时。确认是来自太阳系外21太阳日

太阳回到相对于地面同一位置便是一天，例如由中午至另一个中午。

恒星日

恒星返回天空同一位置为一恒星日。由于地球公转的关系，一个太阳日比一个恒星日约长4分钟。一年中约有365个太阳日，366个恒星日。太阳日22贝尔再立功她又从过去多达5000米记录纸所记录下的资料中，又找到3个脉冲星。其中一颗名叫PSR0950＋08的脉冲周期仅0.25秒。作为脉冲星的最先发现者，贝尔的功绩是不可磨灭的。贝尔再立功23

确认发现脉冲星休伊什利用精确的时标，在改正地球轨道运动的影响之后，惊讶地发现脉冲周期可以精确到千万分之一秒。测出的周期是1.3372795秒。终于确认脉冲信号是来自一种新型的天体――脉冲星的辐射。当时取名为CP1919，CP为剑桥大学，1919是脉冲星的赤经。确认发现脉冲星243，“小绿人”和地外文明

3，“小绿人”25“小绿人”11月28日，贝尔成功地记录到这个信号的脉冲周期约为1.33秒。任何已知天体的辐射都不会是这样的短周期脉冲。这个脉冲信号强弱变化，很像电报。休伊什提出可能是在太阳系外围绕恒星作轨道运动的行星上的“小绿人”发出的信号。曾给新发现的脉冲星取名为：小绿人1、2、3、4号“小绿人”26贝尔女士在回顾脉冲星的发现时说：“当我在搞一项新技术以取得博士学位，可一帮傻呼呼的小绿人却选择了我的天线和我的频率来同我们通讯”贝尔女士在回顾脉冲星27

检验

如果是来自太阳系外行星上的人为信号，这个脉冲信号中必然附加了行星轨道运动所产生的多普勒位移。他们经过一系列的实验，没有测出这种位移，从而否定了小绿人的看法。检验28

地外文明是严肃的科学问题地外文明是人们长期以来津津乐道的话题，大量的有关外星人的科幻电影和小说，把地外文明炒得沸沸扬扬。地球之外是否有生命？是一个严肃的科学问题、哲学问题，一个需要思考和探索的问题。地外文明是严肃的科学问题29

地外文明社会知多少？太阳系的地球是生命的摇篮，在宇宙空间有多少像太阳一样的单个恒星的行星系统？有多少像地球一样，有水，空气和适当的温度的行星？天文学家曾给出多个可能存在的文明社会的数学公式。地外文明社会知多少？30阿西莫夫计算结果

银河系中拥有文明社会的数目为53万个

平均100万个恒星中不到2个阿西莫夫计算结果31阿西莫夫公式N=A×B×C×D×E×F×G×H×L×M

N：可能存在的文明社会的数目A：银河系中的恒星数A＝3×1011个B：拥有行星系统的恒星百分比C：和太阳差不多的恒星百分比D：适合生物生存条件的恒星的百分比E：有类似地球的行星的百分比L：可居住的天体中具有46亿年的历史M：文明社会的寿命阿西莫夫公式32

星际有机分子的存在天文发现星际空间存在大量的有机分子，如氢、氧、碳、氮、硫、硅等。前4种元素是组成生命单元的细胞的蛋白质和DNA的最基本的元素。DNA是细胞核中的一种复杂的分子，储存了生命个体过程的信息。发生着孕育生命进化的过程。星际有机分子的存在33

关于飞碟飞碟是人们发现的一些在空中飞行的形似碟子一样的不明飞行物。人们坚信，在宇宙中，一定会有类似人的或更高级的生物。既然地球人能发射飞行探测器去探索其他星球，为什么别的星球上的宇宙人就不能向我们地球发射飞船呢？关于飞碟34飞碟是外星人乘坐的飞船吗？最近的恒星的行星如果有智能生物，要到地球来拜访，飞碟的速度能接近光速吗？即使如此，也要经过4.3～100年才能到达。天文学家探测过太阳系中的行星和近处的恒星（100PC）没有发现那里有文明社会存在。飞碟是外星人乘坐的飞船吗？35

外星人到过地球吗？不少报道说，有人看见了乘飞碟来地球的外星人。却总是躲着藏着，不愿和人类打交道。如果飞碟真是外星人乘坐的飞船，其科技水平远远超过我们地球社会，比我们强得多，不会怕我们。来地球的首要目的应该是和人类交流，不可能总是回避和人类见面、交谈？外星人到过地球吗？36

射电天文的发展使我们有可能检测和接收“外星人”发来的电讯。人们企图检测到外星人发来的电报的愿望更加迫切了。射电天文的发展使我们有37星际通讯搜寻外星人拍来的电波信号

1960年开始搜寻地外文明的奥兹玛计划。使用美国国立射电天文台的25米的射电望远镜，在21厘米波段，对两颗最可能存在智能生物的恒星系统作了监测，没有检测到外星人发来的信号。星际通讯384，脉冲星就是中子星4，脉冲星就是39

脉冲星的观测特性之一－－稳定而短的周期脉动的射电辐射而得名。周期很短1.5毫秒～8.5秒。十分稳定，毫秒脉冲星周期特别稳定，可以和地球上的原子钟比美。5年观测起伏约0.3微秒。脉冲星的观测特性之一40脉冲星的观测特性之二－－周期缓慢的变长

脉冲星周期随时间十分缓慢地增加，变化率非常之小：

脉冲星的观测特性之二41脉冲星的观测特性之三－－周期突然变短

偶然发生脉冲星周周期突然变短事件。意味着自转突然加快，脉冲星发生“星震”脉冲星的观测特性之三42脉冲星的周期是怎么来的？

脉冲星的周期为什么这么短？这么稳定？还要缓慢地变长？天文上周期性现象是常见的，但都没有这样短。三种可能性，来自白矮星或中子星的：1，双星的轨道运动周期2，径向脉动周期3，自转脉冲星的周期是怎么来的？43自转效应的确认双星轨道运动和径向振荡的周期演变规律是越来越短，而不是越来越长。只有自转效应可以解释周期的稳定和变化规律。

自转效应的确认44自转中子星在赤道上的线速度不能太大，如果离心力大于引力，赤道上的物质就要脱离这个天体而导致崩溃。白矮星的半径比中子星约大600倍，因此所能达到的自转角速度要比中子星的小很多。所以只有中子星的自转能解释观测到的脉冲星周期现象。自转中子星45《自然》期刊论文：1968年2月，《自然》期刊论文：脉冲星是一种极为奇异的天体射电源，它在太阳系之外，发射短暂而极有规律的无线电脉冲；它是某种密度非常大的星体，很可能就是中子星。休伊什根据中子星径向振荡理论来解释辐射的脉冲性质却是不正确的。《自然》期刊论文：46为什么中子星的辐射是周期脉冲信号

自转周期可以达到毫秒～秒，但辐射和自转有什么关系？中子星有很强的偶极磁场，辐射只能从磁极区出来，就像灯塔一样只射出两束光。自转一次，脉冲星的辐射扫过观测者一次，形成一个脉冲。为什么中子星的辐射47脉冲星磁极冠模型

中子星具有非常强的磁场，在磁极冠区，带电粒子在磁场中运动发出曲率辐射，形成一个方向性很强的辐射锥，就像灯塔发出的两束光一样。辐射锥的中心是磁轴。一般地，磁轴和中子星自转轴不重合，所以当辐射锥和中子星一起转动扫过地球上的射电望远镜时，我们就接收到一个脉冲。脉冲星磁极冠模型48脉冲辐射特性之一1，平均轮廓形状平均轮廓稳定，形状长期保持不变。

纪录到的单个脉冲强度和形状变化很大。

把几百～几万个脉冲叠加起来后得到的轮廓称为平均脉冲脉冲辐射特性之一49

平均脉冲形状1，一个周期360度，脉冲有宽有窄，一般只占周期的3％～10％。2，脉冲轮廓形状长期保持不变，如图中的实线。3，脉冲轮廓中显示出单峰，双峰，三峰，5峰等形状，显示有多个成分存在。平均脉冲形状50脉冲辐射特性之二

平均脉冲形状可由辐射区的空心锥模型（早期）解释；现在流行2个（或1个）空心锥＋核模型；脉冲辐射特性之二51脉冲辐射特性之三有的脉冲星的脉冲轮廓有时会变为另一种稳定形状。下图是乌鲁木齐25米射电望远镜观测到的PSR0329＋54的脉冲形状突变。脉冲轮廓反常模式只停留暂短时间，然后返回正常模式。脉冲辐射特性之三52脉冲辐射特性之四平均脉冲有很强的线偏振很弱的圆偏振线偏振位置角随脉冲部位不同而变化，典型的呈S形偏振特性由脉冲星的磁场和辐射区的几何位型决定脉冲辐射特性之四53脉冲辐射特性之五平均脉冲强度随频率不同变化低频强，高频弱，呈幂律谱；最大值在400MHz附近，存在低频反转现象和高频折转现象；脉冲辐射特性之五54脉冲星极冠模型的证据Crab和Vela超新星遗迹中的脉冲星的X射线观测1，中子星的两个磁极会有方向性很强的辐射和高能带电粒子流，会对周围的介质产生作用。2，因为磁极和自转轴不重合，每个周期绕自转轴转一圈，形成锥状。脉冲星极冠模型的证据555，中子星的形成(不要求）5，中子星的形成56中子星的形成三步曲中学基础知识：原子核，α衰变、β衰变、天然放射现象、同位素以及核能等。这些知识有助于我们理解中子星形成的机理。中子星的形成三步曲57

β衰变和逆β衰变

β衰变：一个孤立的中子衰变为一个质子和一个电子及并发射一个反中微子的过程。逆β衰变：一个接近光速的电子和一个质子相碰便形成一个中子和一个中微子。β衰变和逆β衰变58

第一步：中子化过程中子化过程：一个高能电子打入原子核，和其中的质子相碰，产生逆β衰变反应。核反应后，核子数不变，少了一个质子，多了一个中子，同时发射一个中微子。这个元素变为另一种元素。第一步：中子化过程59中子化过程条件密度大于106克/厘米3时，核外电子的能量大，可打进原子核，原子核中的中子数越来越多，质子数越来越少，形成了很多富中子核，这就是中子化过程。中子化过程条件60第二步：自由中子发射过程α衰变：一个原子核放出由两个质子和两个中子组成的氦核，原子核衰变为另一种元素的过程。自由中子发射：当原子核中的中子越来越多，中子的能量大到一定程度时，中子就有可能跑出原子核。条件：密度达到或超过4x1011克/厘米3。第二步：61第三步：原子核破裂形成中子流体当密度超过1014克/厘米3以后，原子核便完全离解，其中的质子和电子相碰变为中子，成为中子的海洋。但是中子星内还存在着很少量的质子和电子。第三步：62简并中子气

中子星壳层以下的中子流体是简并的，中子填满了所有的能量状态，大部分中子处于很高的能态，形成了极其巨大的简并中子气压。由于中子流体的密度已超过1014克/厘米3，致使简并中子气所形成的压力远远超过简并电子气，成为可以抗衡引起星体坍缩的引力，形成稳定的中子星。简并中子气63

中子星的质量上限坍缩后所形成的致密星的质量如果大于2个太阳质量时，中子气简并压力也无法抗衡引力，星体便只能一直收缩下去，形成黑洞。中子星的质量上限64极端物理条件超高密：每立方厘米约有一亿吨重；超高温：几亿度以上；超强磁场：108～1014高斯;超强辐射；1025～1035尔格/秒;超流、超导；超强引力；极端物理条件656，休伊什获1974年诺贝尔奖和为贝尔说公道话6，休伊什获197466休伊什获1974年诺贝尔奖休伊什由于和