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脉冲星

作者 :本站编辑更新时间:2012-11-9

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目录
脉冲星概述
脉冲星
脉冲星的发现
脉冲星的特征
毫秒脉冲星
著名的脉冲星
与发现脉冲星有关的故事
脉冲星的行星
脉冲双星
双脉冲星
脉冲星的研究对人类的意义
脉冲双星
双脉冲星
脉冲星的研究对人类的意义


[编辑本段]脉冲星概述
  人们最早认为恒星是永远不变的。而大多数恒星的变化过程是如此的漫长,人们也根本觉察不到。然而,并不是所有的恒星都那么平静。后来人们发现,有些恒星也很“调皮”,变化多端。于是,就给那些喜欢变化的恒星起了个专门的名字,叫“变星”。
  脉冲星,就是变星的一种。脉冲星是在1967年首次被发现的。当时,还是一名女研究生的贝尔,发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波。经过仔细分析,科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号,人们就把它命名为脉冲星。
  脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。一开始,人们对此很困惑,甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说,第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。
  经过几位天文学家一年的努力,终于证实,脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且,正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。
  正如地球有磁场一样,恒星也有磁场;也正如地球在自转一样,恒星也都在自转着;还跟地球一样,恒星的磁场方向不一定跟自转轴在同一直线上。这样,每当恒星自转一周,它的磁场就会在空间划一个圆,而且可能扫过地球一次。
  那么岂不是所有恒星都能发脉冲了?其实不然,要发出像脉冲星那样的射电信号,需要很强的磁场。而只有体积越小、质量越大的恒星,它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星。
  另一方面,当恒星体积越大、质量越大,它的自转周期就越长。我们很熟悉的地球自转一周要二十四小时。而脉冲星的自转周期竟然小到0.001337秒!要达到这个速度,连白矮星都不行。这同样说明,只有高速旋转的中子星,才可能扮演脉冲星的角色。
[编辑本段]脉冲星
  这个结论引起了巨大的轰动。因为虽然早在30年代,中子星就作为假说而被提了出来,但是一直没有得到证实,人们也不曾观测到中子星的存在。而且因为理论预言的中子星密度大得超出了人们的想象,在当时,人们还普遍对这个假说抱怀疑的态度。
  直到脉冲星被发现后,经过计算,它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样,中子星才真正由假说成为事实。这真是本世纪天文学上的一件大事。因此,脉冲星的发现,被称为二十世纪六十年代的四大天文学重要发现之一。
  脉冲星是20世纪60年代天文的四大发现之一。至今,脉冲星已被我们找到了不少于1620多颗,并且已得知它们就是高速自转着的中子星。
  脉冲星有个奇异的特性——短而稳的脉冲周期。所谓脉冲就是像人的脉搏一样,一下一下出现短促的无线电讯号,如贝尔发现的第一颗脉冲星,每两脉冲间隔时间是1.337秒,其他脉冲还有短到0.0014秒(编号为PSR-J1748-2446)的,最长的也不过11.765735秒(编号为PSR-J1841-0456)。那么,这样有规则的脉冲究竟是怎样产生的呢?
  天文学家已经探测、研究得出结论,脉冲的形成是由于脉冲的高速自转。那为什么自转能形成脉冲呢?原理就像我们乘坐轮船在海里航行,看到过的灯塔一样。设想一座灯塔总是亮着且在不停地有规则运动,灯塔每转一圈,由它窗口射出的灯光就射到我们的船上一次。不断旋转,在我们看来,灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样,当它每自转一周,我们就接收到一次它辐射的电磁波,于是就形成一断一续的脉冲。脉冲这种现象,也就叫“灯塔效应”。脉冲的周期其实就是脉冲星的自转周期。
  然而灯塔的光只能从窗口射出来,是不是说脉冲星也只能从某个“窗口”射出来呢?正是这样,脉冲星就是中子星,而中子星与其他星体(如太阳)发光不一样,太阳表面到处发亮,中子星则只有两个相对着的小区域才能辐射出来,其他地方辐射是跑不出来的。即是说中子星表面只有两个亮斑,别处都是暗的。这是什么原因呢?原来,中子星本身存在着极大的磁场,强磁场把辐射封闭起来,使中子星辐射只能沿着磁轴方向,从两个磁极区出来,这两磁极区就是中子星的“窗口”。
  中子星的辐射从两个“窗口”出来后,在空中传播,形成两个圆锥形的辐射束。若地球刚好在这束辐射的方向上,我们就能接收到辐射,且每转一圈,这束辐射就扫过地球一次,也就形成我们接收到的有规则的脉冲信号。
  灯塔模型是现在最为流行的脉冲星模型。另一种磁场震荡模型还没有被普遍接受。
  脉冲星是高速自转的中子星,但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时,我们就接收不到脉冲信号,此时中子星就不表现为脉冲星了。
  脉冲星的一般符号是PSR。例如,第一个脉冲星就记为PSR1919+21。1919表示这个脉冲星的赤经是19小时19分;+21表示脉冲星的赤纬是北纬21度。
  双脉冲星PSRJ0737-3039A/B的发现,让人们欣喜若狂。它是由两个脉冲星形成的双星系统。能够发现双脉冲星系统,确实是非常幸运的事情。对PSRJ0737-3039A进行计算以后,科学家预言它的脉冲轮廓形状会发生较快的演化,甚至预言在2020年左右,它的光束会由于轴线进动而从我们的视线中消失,但是,仔细的观测结果显示,预期的脉冲轮廓形状根本就没有发生变化,这对科学家的打击可是不小。预言的失败让我们感到,脉冲星的灯塔模型似乎存在着问题。
  为什么脉冲星会发射“脉冲”?
  实际上,脉冲星并非或明或暗。它们发射出恒定的能量流。这一能量汇聚成一束电磁粒子流,从星体的磁极以光速喷射出来。中子星的磁轴与旋转轴之间成一定角度,这与在地球上,磁北和真北的地理位置略有不同一样。星体旋转时,这一能量束就象灯塔的光束或救护车警灯一样,扫过太空。只有当此能量束直接照射到地球时,我们才能用射电望远镜探测到脉冲星。
  即使脉冲星发出的光在可见光谱内,但由于它们实在太小,离我们又很远,所以我们无法探测到这种可见光。我们只能用射电望远镜探测它们发射出的强大的高频射电能量。
[编辑本段]脉冲星的发现
  1967年10月,剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什教授的研究生——24岁的乔丝琳·贝尔检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号,它们的周期十分稳定,为1.337秒。起初她以为这是外星人“小绿人(LGM)”发来的信号,但在接下来不到半年的时间里,又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是一类新的天体,并把它命名为脉冲星(Pulsar,又称波霎)。脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道,并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。安东尼·休伊什教授本人也因脉冲星的发现而荣获1974年的诺贝尔物理学奖,尽管人们对贝尔小姐未能获奖而颇有微词。
[编辑本段]脉冲星的特征
  锥形扫射1968年有人提出脉冲星是快速旋转的中子星。中子星具有强磁场,运动的带电粒子发出同步辐射,形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合,每当射电波束扫过地球时,就接收到一个脉冲。
  恒星在演化末期,缺乏继续燃烧所需要的核反应原料,内部辐射压降低,由于其自身的引力作用逐渐坍缩。质量不够大(约数倍太阳质量)的恒星坍缩后依靠电子简并压力与引力相抗衡,成为白矮星,而在质量比这还大的恒星里面,电子被压入原子核,形成中子,这时候恒星依靠中子的简并压与引力保持平衡,这就是中子星。典型中子星的半径只有几公里到十几公里,质量却在1-2倍太阳质量之间,因此其密度可以达到每立方厘米上亿吨。由于恒星在坍缩的时候角动量守恒,坍缩成半径很小的中子星后自转速度往往非常快。又因为恒星磁场的磁轴与自转轴通常不平行,有的夹角甚至达到90度,而电磁波只能从磁极的位置发射出来,形成圆锥形的辐射区。
  此为在持脉冲星便是中子星的证据中,其中一个便是我们在蟹状星云(M1;原天关客星,SN 1054)确实也发现了一个周期约0.033s的波霎。
  脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量,因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢,以致于信号周期的精确度能够超过原子钟。而从脉冲星的周期就可以推测出其年龄的大小,周期越短的脉冲星越年轻。
  脉冲星的特征除高速自转外,还具有极强的磁场,电子从磁极射出,辐射具有很强的方向性。由于脉冲星的自转轴和它的磁轴不重合,在自转中,当辐射向着观测者时,观测者就接收到了脉冲。到1999年,已发现1000颗脉冲星。
[编辑本段]毫秒脉冲星
  20世纪80年代,由发现了一类所谓的毫秒脉冲星,它们的周期太短了,只有毫秒量级,之前的仪器虽然能探测到,但是很难将脉冲分辨出来。研究发现毫秒脉冲星并不年轻,这就对传统的“周期越短越年轻”的理论提出了挑战。进一步的研究发现毫秒脉冲星与密近双星有关。
[编辑本段]著名的脉冲星
  人类发现的第一颗脉冲星:PSR1919+21,也就是上文贝尔小姐发现的那颗脉冲星,位于狐狸座方向,周期为1.33730119227秒。
  人类发现的第一颗脉冲双星:PSR B1913+16
  人类发现的第一颗毫秒脉冲星:PSR B1913+16
  人类发现的第一颗带有行星系统的脉冲星:PSR B1257+12
  人类发现的第一颗双脉冲星系统:PSRJ0737-3039
[编辑本段]与发现脉冲星有关的故事
  脉冲星被认为是“死亡之星”,是恒星在超新星阶段爆发后的产物。超新星爆发之后,就只剩下了一个“核”,仅有几十公里大小,它的旋转速度很快,有的甚至可以达到每秒714圈。在旋转过程中,它的磁场会使它形成强烈的电波向外界辐射,脉冲星就像是宇宙中的灯塔,源源不断地向外界发射电磁波,这种电磁波是间歇性的,而且有着很强的规律性。正是由于其强烈的规律性,脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。
  脉冲星的存在是过去人们没有预料到的,它的性质如此奇特,以至于人们在对它的认识过程中产生了很多故事。
  发现脉冲星
  脉冲星刚发现的时候,人们以外那是外星人向我们发射的电磁波,他们在寻求宇宙中的知音。
  1967年,英国剑桥新建造了射电望远镜,这是一种新型的望远镜,它的作用是观测射电辐射受行星际物质的影响。整个装置不能移动,只能依靠各天区的周日运动进入望远镜的视场而进行逐条扫描。1967年7月,这台仪器正式投入使用,接受波长为3.7米。用望远镜观测并担任繁重记录处理的是休伊什的女博士研究生乔斯…… 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com

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