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脉冲星

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脉冲星
脉冲星
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,休伊什的研究生S.J.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”。

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特征编辑本段回目录

脉冲星
脉冲星
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的简并压与引力相抗衡,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,SN1054)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。

基本资料编辑本段回目录

脉冲星
脉冲星
全称射电脉冲星。一种类型的天体,能发射极其规则的射电脉冲,其中几个还有短节奏的可见光激变、X射线γ射线暴。脉冲星被公认是快速自旋的中子星。中子星是一种几乎整体均由中子组成的极端致密的恒星,其直径仅20公里,甚至更小些。当超新星激烈爆发后,其内核向内坍缩,即形成为中子星。恒星表面处的中子衰变成质子电子,这些荷电粒子从恒星表面释放出来,即进入环绕恒星并随恒星自转的强磁场之中。这些粒子被加速到接近光速,便产生称为同步加速辐射的电磁辐射。这种辐射从脉冲星的磁极处以强射束形式被释放出去。磁极并不和自转极吻合一致,因此,脉冲星的自转致使射束旋转摆动。每当脉冲星自转一周,射束便会有规则地扫过地球,这时地面望远镜即可检测出一系列间断的脉冲。

利用专门设计用以记录射电源快速起伏的射电望远镜,科学家们于1967年发现了第一个脉冲星,迄今已探测到300多个脉冲星。这类天体的很大一部分都朝向银河系的银道面集聚。虽然所有已知脉冲星均有此类特征,但它们的周期长短,即两个相继出现的脉冲之间的间隔却有很大不同。迄今已观测到的最慢的脉冲星的周期间隔为4秒,而1982年发现的最快的脉冲星的周期是0.00155秒,即1.55毫秒,比已知的任何一个脉冲星的周期都短了许多。这个毫秒脉冲星每秒自旋642圈,已经接近脉冲星自旋速度的极限。因为一个中子星只要自旋速度为此速度的4倍,就会作为其赤道带离心力造成的结果而飞散崩溃,哪怕其引力十分强大,可使其逃逸速度达到光速的一半。精确的射电脉冲星计时表明,它们的自转正在很缓慢地减速,其典型速率是每年减慢一百万分之一秒。根据一个脉冲星速度变化,可以计算出它的年龄。

光学照片上,蟹状星云脉冲星呈现为蟹状星云中心的一个中等亮度(16星等)的星。科学家发现在可见光波段也有完全精确一致速率的光波闪烁。般帆脉冲星则要暗淡得多,平均为24星等。船帆脉冲星是星空中最强的γ射线源之一。年龄较老的射电脉冲星周期减慢的速率要比年轻的慢,脉冲周期也长。根据研究,已测定出脉冲星在历经约1000万年后随着其磁场的明显变弱,脉冲星的脉冲终将停止。在太阳附近空间探测出的脉冲星的数目表明,在银河系中活跃的脉冲星有上百万个。据推论,每10年应有一个这类天体诞生。

毫秒脉冲星编辑本段回目录

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。

脉冲双星编辑本段回目录

脉冲星
脉冲星
1974年,美国赫尔斯泰勒发现了第一颗射电脉冲双星PSR1913+1,它们是两颗互相环绕的脉冲星,轨道周期很短,仅为7.75小时。轨道的偏心率为0.617。当两颗子星相互靠得很近时,极强的引力辐射会导致它们的距离愈加靠近,轨道周期会逐渐变短。通过精确地测量射电脉冲双星轨道周期的变化可以检测引力波的存在,验证广义相对论。赫尔斯和泰勒也因此获得1993年的诺贝尔物理学奖。

2003年4月,研究人员发现PSRJ0737-3039A的周期为22毫秒,并且在有规律地变化。人们认为这是一个罕见的双脉冲星系统,两颗子星都是脉冲星,并且辐射束都扫过地球。观测显示,这对双脉冲星系统的A星是一颗1.337太阳质量的毫秒脉冲星,周期22毫秒,B星是一颗1.251太阳质量的正常脉冲星,周期2.27秒。两颗子星相互环绕的轨道周期仅为2.4小时,轨道偏心率为0.088,平均速度达到0.1%光速。这个双脉冲星系统的发现为检测引力波的存在带来了新的希望。

著名脉冲星编辑本段回目录

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:PSRB1913+16
人类发现的第一颗毫秒脉冲星:PSRB1913+16
人类发现的第一颗带有行星系统的脉冲星:PSR1257+12
人类发现的第一颗双脉冲星系统:PSRJ0737-3039

观测特点  编辑本段回目录

脉冲星
脉冲星
1、周期性地发射短促的脉冲辐射

2、脉冲周期很短。周期最短的为0.03秒,最长的为4.3秒,周期通常有非常缓慢的变长现象。大约每年增长百万分之一秒到千亿分之一秒。

3、脉冲辐射多呈单峰或双峰形状,有的甚至多到五个峰。每个脉冲星的个别脉冲在脉冲形状和强度上会有变化,但几百个脉冲累加得到的平均脉冲轮廓(在脉冲期间辐射能量随时间的变化曲线)是稳定的。每个脉冲星有它特有的平均脉冲轮廓。附图分别绘出脉冲星 PSR0833-45、 PSR1133+16、PSR2045-16和PSR0525+21的平均脉冲轮廓。

4、脉冲辐射持续时间约为周期的百分之一到十分之几。

5、脉冲辐射是高度的线偏振或椭圆偏振。偏振度和偏振矢量的方向在脉冲期间通常是变化的。

6、绝大多数脉冲星只是在射电波段发出辐射。在射电波段的频谱分布一般呈简单的幂律谱,也有呈现为二段幂律谱合成的频谱。频谱指数通常是在3~1的范围。

7、有些脉冲星的个别脉冲会出现规则的向前或向后的漂移现象,有些脉冲星有时会呈现短缺脉冲现象。

8、个别脉冲星会有周期突然变化的现象。例如,近年来PSR0833-45的脉冲周期发生过三次突然变化(见脉冲星自转突快),PSR0531+21也有类似现象。

9、已发现的脉冲星都是银河系内的天体,其距离在100秒差距到2万秒差距之间。大多分布在银道面两旁,有向银道面聚集的倾向。

脉冲星和中子星  编辑本段回目录

脉冲星
脉冲星
现在已普遍认为,脉冲星是有很强磁场的快速自转着的中子星。它的表面磁场约为 1012~1014高斯。脉冲周期对应于自转周期。脉冲星辐射的能量是靠消耗它自身的自转能而来的。随着脉冲星不断地辐射能量,它的自转逐渐变慢,这就是脉冲星周期缓慢变长的原因。利用脉冲星的周期变率的观测值,可以计算脉冲星的能量损失速率

例如对于蟹状星云的中心星,可求得能量损失速率为7×1038尔格/秒,这与整个蟹状星云辐射的能量相符合。脉冲星上的能量转化过程是十分复杂的,自转能首先转变为低频的磁偶极辐射(在脉冲星诞生的早期还有引力波),然后再转化为高能粒子的能量和电磁辐射的能量,目前,关于这种能量转化的机制还不十分清楚。观测表明,电磁辐射具有高度的方向性,就像灯塔光束一样,使得脉冲星自转一周就能给出对应的脉冲图样。

最著名的一颗脉冲星是蟹状星云的中心星PSR0531+21(或NP0532),它的周期是0.0331秒,是目前已知脉冲星中周期最短的。它在射电、红外线、可见光、 X射线和γ 射线等波段都发出脉冲辐射。它的目视等是17等,距离约 6,300光年。蟹状星云的中心星据认是中国宋代记录的超新星(1054年金牛座“客星”)爆发后的残骸,蟹状星云是超新星爆发时抛出壳层的遗迹。脉冲星的年龄与由蟹状星云大小推算出的年龄相吻合,脉冲星能量损失与蟹状星云辐射能量的自洽,都有力地证实了这一点。

脉冲星的发现并被证认为中子星,是天体物理学和物理学的一项重大成就。这证实了三十多年前在理论上预言的、一种新型的、由超密态物质组成的恒星的存在。因此,脉冲星的发现被誉为二十世纪六十年代天文学的四大发现(脉冲星、类星体微波背景辐射星际分子)之一,是1974年度诺贝尔奖金的获奖项目。

发现成果编辑本段回目录

脉冲星
脉冲星
1967年10月,剑桥大学卡文迪许实验室的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”。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。

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于一秒!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。

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。

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