脈沖星“動物園”

王洪光

脈沖星：從外星人信號到中子星再到夸克星

1967年，英國劍橋大學的博士研究生喬絲琳·貝爾本打算用一架新建成的射電望遠鏡，通過天體的閃爍（類似星星眨眼睛的現(xiàn)象）來研究類星體，卻無意間發(fā)現(xiàn)了一種快速的周期性脈沖信號。開始，她和導(dǎo)師休伊斯教授并不知道那是什么，甚至一度懷疑它們是不是外星人發(fā)出的信號，但很快，他們確認那是一種從未被發(fā)現(xiàn)過的天體，于是命名為脈沖星。1968年，人們終于明白脈沖星應(yīng)該就是1932年蘇聯(lián)物理學家朗道預(yù)言的由中子構(gòu)成的天體——中子星。脈沖星的脈沖周期也就是自轉(zhuǎn)周期?？焖僮赞D(zhuǎn)的中子星從磁場的兩極發(fā)出光束，如果光束能夠掃過地球，我們就能接收到周期性的“閃光”，仿佛宇宙中一閃一閃的“燈塔”。

中子星從何而來？根據(jù)恒星演化理論，它的前身是較大質(zhì)量的恒星;恒星在其“生命”的終點通過劇烈的超新星爆發(fā)，把大部分的外圍物質(zhì)炸飛，形成絢麗的超新星遺跡。其核心物質(zhì)則在強大的引力作用下被壓縮成密度極高的天體。如果核心區(qū)域物質(zhì)低于3倍太陽質(zhì)量，引力將把它們擠壓到半徑10千米左右的球里，形成中子星。中子星在引力場、磁場和電場強度以及物質(zhì)密度等方面都遠遠超過它的父輩恒星，是宇宙中不折不扣的超高能和強引力物理實驗室。

如前文所述，在脈沖星發(fā)現(xiàn)之初，人們相信脈沖星就是中子星。然而40多年來的理論研究表明，脈沖星也可能是中子星的“孿生兄弟”—夸克星。要理解這一點，不妨回顧一下歷史。

中子星的概念源于一個大膽的猜想。1932年中子被發(fā)現(xiàn)后，朗道就猜想這種不帶電荷的基本粒子能夠靠核力粘在一起，形成所謂的中子星。不久，中子星被從理論上證明是可以穩(wěn)定存在的，隨后30多年恒星理論的研究則向人們揭示了中子星是恒星演化的終極產(chǎn)物之一。但20世紀50年代以后，人們對“中子是一種最基本的粒子”的看法漸漸有了變化，一些實驗表明它和質(zhì)子一樣，可能是由更小的基本粒子構(gòu)成的。1964年，美國物理學家蓋爾曼和茨威格各自獨立地提出中子和質(zhì)子是由夸克構(gòu)成的。4年后，這種粒子果真在美國斯坦福大學的粒子加速器中被發(fā)現(xiàn)了。很快，1969年，蘇聯(lián)物理學家伊萬年科（Ivanenko）和庫爾杰萊澤（Kurdgelaidze）猜想中子星的核心可能是由夸克，而不是由中子組成的;此后，完全由夸克構(gòu)成的星星——夸克星的概念出現(xiàn)了，成了理論家們探險的新樂園。一種粒子的發(fā)現(xiàn)催生由這種粒子構(gòu)成的天體的猜想，歷史有時候是如此的相似。

理論上，中子星和夸克星都能在超新星爆發(fā)中誕生，它們都能產(chǎn)生射電脈沖等非常相似的現(xiàn)象，那么，如何證明脈沖星是中子星還是夸克星，或者說夸克星是否真的存在，成了脈沖星研究領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的難題之一。盡管夸克星在物理性質(zhì)上和中子星還是有差別的，但人們一直沒有找到觀測證據(jù)。如果FAST能夠找到夸克星，將是舉世矚目的發(fā)現(xiàn)，能夠為研究基本粒子的強相互作用和夸克團塊物質(zhì)性質(zhì)提供重要的實驗依據(jù)。

FAST射電望遠鏡

它是目前世界上在建的最大的射電望遠鏡，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣。直徑500米，比目前的紀錄保持者—美國阿雷西博305米射電望遠鏡還要大得多。FAST射電望遠鏡的探測本領(lǐng)高強，脈沖星是FAST的核心科學目標之一。按照計劃，F(xiàn)AST將于明年9月建成，將使人們得以建立更為完善的脈沖星“動物園”，并用脈沖星作為工具探尋宇宙的基本規(guī)律，拓展人類的認知疆界。

形形色色的脈沖星

截至目前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2500多顆脈沖星。脈沖星一個突出的特點是自轉(zhuǎn)很快，最慢的十幾秒轉(zhuǎn)一圈，最快的每秒轉(zhuǎn)動716圈，比F1賽車發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速還要快將近兩倍。如果問宇宙中磁場最強的天體是什么？非脈沖星莫屬，因為它們星體表面的磁場能達到幾千到幾千億特斯拉，超過所有已知的天體。很多人對特斯拉這個磁場單位沒有概念，舉個例子，生活用品中常見的小磁鐵表面磁場一般在1特斯拉左右，脈沖星磁場之強可見一斑。

天文上經(jīng)常把品種豐富的一大類天體稱為某某動物園，例如星系動物園、脈沖星動物園等。經(jīng)過人們40多年的觀測，脈沖星動物園中已經(jīng)有近十個品種。下面我們就來看看幾種最有用處或最奇特的脈沖星吧。

毫秒脈沖星：

最精密的時鐘

按照自轉(zhuǎn)周期的差別，脈沖星通常被分為正常脈沖星和毫秒脈沖星。前者的自轉(zhuǎn)周期要長于幾十毫秒，磁場較強，后者的自轉(zhuǎn)周期短于幾十毫秒，磁場較弱，并且都非常年老。已知的200多顆毫秒脈沖星有80%左右位于雙星系統(tǒng)中。一般認為，雙星系統(tǒng)中的毫秒脈沖星是由正常脈沖星吞噬伴星的氣體，自轉(zhuǎn)被加速而形成的。

絕大部分脈沖星的自轉(zhuǎn)都在變慢，整體上有很好的規(guī)律性。不過，通過長期的監(jiān)測，人們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)脈沖星的自轉(zhuǎn)減慢有種種不規(guī)則的行為，難以做高精度的預(yù)測。只有少數(shù)毫秒脈沖星非常穩(wěn)定，其中的一些比地面上最精確的氫原子鐘“走時”還準。大自然賜予了如此精密的時鐘，天文學家們自然要充分發(fā)揮它的作用。例如，它們可以用來發(fā)展獨立的脈沖星時間標準，用來校準我們常用的、基于原子鐘的授時系統(tǒng);可以用來測量太陽系行星的質(zhì)量;還可以用來捕捉引力波，等等。

磁星：

可能是宇宙中磁場最強的天體

磁星是20世紀70年代X射線和伽馬射線衛(wèi)星探測到的兩種特殊天體的統(tǒng)稱，最初并不叫磁星，而是兩個讓普通人望而生畏的名字——反常X射線脈沖星和軟伽馬射線重復(fù)暴。它們有一個非常吸引天文學家眼球的特點，即它們的X射線或伽馬射線的輻射功率遠遠超過星體的自轉(zhuǎn)動能變化所提供的功率，聽起來就像收入微薄的窮人卻過著揮金如土的富豪生活。額外的能量從何而來？一直是個謎。

1992年，美國的天文學家鄧肯和湯普森提出猜想，認為這些額外的能量來自于巨大的磁場能量的釋放。這要求星體表面磁場超過44億特斯拉，遠強于普通脈沖星，所以他們給這種天體起了“磁星”的名字。對理論家們來說，磁星有難以抵擋的吸引力，因為超強磁場中物質(zhì)的行為是過去鮮有人挖掘的金礦，也不可能有地面實驗條件。磁星提供了絕好的研究機遇。但是反對的聲音不絕于耳，有人認為這些能量可能是中子星吞噬環(huán)繞在它周圍的氣體而產(chǎn)生的，而中子星本身并沒有超強磁場。有關(guān)磁星的發(fā)現(xiàn)也是NASA等機構(gòu)的科學新聞的寵兒，大眾由此對磁星這個名字漸漸熟悉。迄今為止，人類已發(fā)現(xiàn)的磁星有28顆，如果將來證實它們確實具有超強磁場，無疑是宇宙中磁場最強的一批天體。

消零脈沖星：

輻射是間歇性“發(fā)作”

大部分脈沖星都在持續(xù)地發(fā)出射電脈沖，但是有一部分脈沖星的輻射卻是間歇式的。其中數(shù)量較多的一種叫消零脈沖星，目前發(fā)現(xiàn)了約200個。這種脈沖星的輻射通常會持續(xù)一段時間，然后沉寂數(shù)秒到數(shù)十分鐘，此為脈沖消零現(xiàn)象。大多數(shù)消零脈沖星沉寂的時間比例不超過20%，極個別能達到90%左右。2006年，人們發(fā)現(xiàn)了一個極端品種，名叫自轉(zhuǎn)射電暫現(xiàn)源（縮寫為RRATs，類似老鼠的英文發(fā)音），每次只發(fā)出一個持續(xù)幾毫秒的脈沖信號，然后沉寂幾分鐘到幾個小時，再發(fā)出下一個。另外一個叫作間歇脈沖星的極端品種，沉寂的時間要長得多。例如一顆名為PSR B1937+21的脈沖星，通?！肮ぷ鳌?～10天（有輻射），然后“休息”4～5周（無輻射）;有的脈沖星“休息”的時間更長。

]脈沖星個頭雖小，但是能量很大，現(xiàn)象很豐富，品種很多。尤其重要的是，對脈沖星的研究有可能助科學家取得對微觀世界和宏觀世界基本規(guī)律的深刻認識。在過去的40多年，脈沖星的發(fā)現(xiàn)（1974年）和脈沖雙星間接驗證引力波理論（1993）分別被授予諾貝爾物理學獎。未來的脈沖星研究仍可能有諾貝爾獎量級的重要發(fā)現(xiàn)。