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探索浩瀚宇宙:疯狂旋转的脉冲星 精选

已有 3502 次阅读 2019-10-11 16:52 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记| 张承民, 潘元月, 王德, 杨佚沿, 科学出版社

脉冲星的超强磁场与运动诱发的电场,为研究高能粒子加速机制、射电辐射过程提供了一个理想场所。首先,中子星的物质组成极其致密,其中心密度是核密度的几倍,诞生时的温度可高达~109K,一般认为此条件下的极端压力可能生成夸克物质。其次,脉冲星作为大质量恒星超新星爆发后坍缩的产物,理解脉冲星的形成条件和机制,有利于进一步研究超新星及超新星爆发理论。再应用研究方面,脉冲星因其自旋周期的高度稳定性相当于氢原子钟,在时间定标和航天器导航上有非常重要的意义。


脉冲星的发现



“脉冲星之母”乔瑟琳·贝尔女士

曾任英国皇家物理学会会长、英国皇家天文学会会长、皇家苏格兰爱丁堡学会会长

 

1967年8月,英国剑桥大学的安东尼·休伊什 (Antony Hewish) 和他的研究生乔瑟琳·贝尔 (Jocelyn Bell) 开始使用射电望远镜 (无线电阵列天线) 在南北天区进行“行星际闪烁”的观测,这是星际介质或太阳周围的行星际带电粒子导致的无线电信号流量有规则的变化和起伏,可由此探测空间的电磁波与介质的相互作用特性。贝尔夜以继日地工作,在大量并纷乱的记录纸带上仔细摸索射电闪烁信号的特征,这是太阳系带电介质干扰星空无线电传播的结果,其流量呈现出射电波秒量级的准周期变化。此现象可以类比于“天上的星星在眨眼”,这源于由地球大气层扰动引发的光学波段的闪烁。如图1(a) 所示,其分别表示来自三个不同星体的闪烁信号。然而,贝尔偶然察觉到一个奇怪且周期极其规则的“干扰”信号,它为每隔1.337s精准时间的脉冲信号,如图1(b) 和 (c) 所示,其为贝尔观测到脉冲星信号的原始记录。他们最开始认为这可能是来自地球的信号,可当他们查遍英国当时所有的无线电频率后,很快就排除了这种想法。在之后的观测中,贝尔发现脉冲信号曾在观测记录里重复出现,按时间推算,每次正好相隔23小时57分钟,和其他天体出没的周期相同,这表明这个脉冲信号来自宇宙天体。这令她十分诧异,难道宇宙的“心电图”存在“人为故意”的钟表准时效应?



图1 几个闪烁、干扰和脉冲星的原始记录

 

得知这一令人难以置信的观测分析,她的导师休伊什曾猜想这可能是外星人—— “小绿人”发出的莫尔斯电码在向地球呼叫。然而,进一步查找观测数据表明,这个脉冲信号的频率极其精确。接下来,贝尔和同事在不同天区又发现2个周期各异的脉冲信号源,这便排除了外星人信号,因为不可能有3个“小绿人”在不同方向、同时向地球发射不同的脉冲信号。接着,他们进一步分析发现,这个脉冲信号的周期精确得令人难以置信,其变化率约1015s/s,亦即千万年内的时间变化大约为1s,这是精准的氢原子钟精度。再经过射电望远镜的色散测量,贝尔得出脉冲星距离地球大约是几万光年,这意味着脉冲信号源于银河系起源的天体。经过一番努力,贝尔和休伊什在 Nature 杂志上发表了发现脉冲星的论文,并认为脉冲星可能就是物理学家预言的超级致密的中子星。这是一个意外的重大发现,消息很快轰动了国际科学界。脉冲星与星际分子、类星体、微波背景辐射并称为20世纪天文学四大重要发现,为天文学和天体物理研究开辟了新的领域,而且对现代物理学的发展产生了深远影响。


发现蟹状星云脉冲星的意义


1967 年,脉冲星被认证为转动的中子星,其发现被誉为20世纪四个重要天文学发现之一。接下来,天文学家将目光投向中子星的“母亲”,其前身星到底是什么?中子星诞生后,其附近的遗迹是什么样子?难道1054年的客星与中子星存在必然联系吗?1968年,美国天文学家使用阿雷西博射电望远镜,其305m口径是当时世界最大,不出预料,他们在蟹状星云中发现了一颗脉冲星(编号 PSRB0531+21),即蟹状星云脉冲星。这一事件振奋人心,它解答了天文学家的长期困惑——客星到底是怎么形成的?自此,客星与脉冲星的前世今生谜底告破,那颗1054年的客星是一颗“吉星”,不是“克星”,它为人类认识恒星演化终结提供了第一手参考样本。


1054年7月4日 (宋至和元年) 的星空突降“客星”,遭遇了一次千载难逢的重大“天象”。金牛座的天关星附近突然闯进一个“客星”,异常明亮——这也就是后来天文学家所定义的蟹状星云超新星。“客星”是中国古代钦天监对彗星、新星或超新星的统称,意寓此类天体如“客人”一样偶出于天空常见的星辰之间。经天文学家测定,这次爆发距地球6500光年,属于一次大质量恒星演化到晚期的剧烈死亡事件。经历了超新星爆炸后,其残留物留下一片横行的蟹状星云,留住于金牛座这个北半球冬季夜空耀目的星座。“客星”代表着祥瑞还是灾祸,这是不可泄露的“天机”,在皇权天授的封建迷信时代,观天占卜、预测吉凶是天文学家和天象学家的神圣职责,然而此神奇“客星”千古稀罕、自古未闻。可以想见,那时满朝文武、上下官吏、皇家庶民整日惊慌失措、惶恐不安。万分幸运,这颗“客星”可谓千古吉祥,宋朝进入人类文明的新时代,迎来科技发展、经济富足、文化繁荣。


现代天体物理学告诉我们:一颗10M以上的大质量恒星,演化到晚期时,将经历超新星爆发,其核心将形成一颗中子星,而由外部物质爆炸扩散而形成我们所看到的星云,即超新星遗迹。


1054年客星与脉冲星的密码被破解,这不仅是天文界的巨大进展,也是中国古人的骄傲。我国宋朝天文学家如果聆听到现代科学的回响,那是无比的意外和惊奇。细心反思,客星与脉冲星关联的千年寻找,那是偶然的相遇,还是必然的拥抱?这个事件给予我们哪些深刻的文明哲理?确切地说,假如没有千年前古代科技的积累和传播,哪来的现代科技文明?如果我们将现代科技体系比喻成一棵大树,那么通过蟹状星云事件管中窥豹,我们会发现:其树苗栽培于中国,而繁茂结果于西方。这颗高速自旋的蟹状星云脉冲星,证明了20世纪30年代科学家们对中子星的预言,并肯定了恒星演化理论:超新星爆发时,气体外壳被抛射出去,形成超新星遗迹,就像蟹状星云,而恒星核心却迅速坍缩,由恒星质量的大小决定它的归宿是颗白矮星、中子星或是黑洞。



图2 斯皮策太空望远镜拍摄的蟹状星云



图3 脉冲星的辐射光锥示意图


天文学家们的进一步观测发现:蟹状星云脉冲星是颗强大的电磁辐射源,它以固定且很短的周期释放辐射脉冲,其转动周期仅有33ms,即每秒转动33圈——这是个令人难以置信的高速运动。现已证明,这是因为高速自转的中子星具有超强磁场——相当于地磁场的万亿倍,超强磁场的极冠将辐射约束成很窄的高能粒子,产生电磁波束向外释放。


客星与脉冲星回答“李约瑟难题”


“李约瑟难题”是由英国学者李约瑟在其编著《中国科学技术史》的过程中提出的,其主题是:“为什么中国古人 (尤其是宋人) 对人类科技发展做出了很多重要贡献,而科学和工业革命没有在近代中国发生?”1976年,美国经济学家肯尼思博尔丁称之为“李约瑟难题”。


这一问题让无数人深思,尤其是国人。

 

后来,中国国内亦曾有“钱学森之问”,即“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”可谓与“李约瑟难题”一样,都是对中国科技界的忧思之问。有些人把“李约瑟难题”进一步推广,推论出“中国近代科学为什么落后”“中国为什么在近代落后了”等。这一系列的追问,我们曾经无法回答,但是,我们始终感到重任在肩,芒刺在背。

 

今天,当时光快车定格在2018年,指向贵州平塘县的中国天眼500m口径世界最大射电望远镜,它已经不负使命发现了40多颗新脉冲星;而且,科学家们正在对其安装世界最先进的19波束接收机,这将对新脉冲星的发现有质的提升。可以说,这一点,至少从某种程度上回答了“李约瑟难题”,也回应了“钱学森之问”。



图4 500m口径球面射电望远镜FAST

 

我们1054年开始的“天问”穿越旅行,终于完成了“客星”与脉冲星的千年“团聚”。这看上去似乎无关的科学事件,但重新思考后,或许另有玄机。假如以千年的尺度审视人类共同体的文明进化,我们得到这样的结论:科学的童年源自中国宋朝,而科学的成长在于欧洲文艺复兴,其间东西方科技的相互移植和交流得益于元朝。“客星”与脉冲星的千年握手,其前世今生的追踪,拉扯出东西方文明的互动,也间接回答了“李约瑟难题”:那就是东西方文明通过“一带一路”的交流,共同携手创造了人类的科技体系,这是人类长达千年的互动接力,而中华民族为人类文明共同体的建立点燃了原始科技火种并播撒了萌芽的种子。

 

中国天眼FAST仰望天空,不仅发现了宇宙奥秘,也找回了中国的文化自信和道路自信,重新认识了中国对于人类文明无法替代的贡献,在实现中国梦的征程上,中国天眼FAST承载了中华民族复兴的新目标和新使命。



本文摘编自张承民,潘元月,王德华,杨佚沿编著《中子星与脉冲星天体物理》第1章及第7章部分内容,略有删减改动。


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中子星与脉冲星天体物理

作者:张承民,潘元月,王德华,杨佚沿

责任编辑:周涵,张晓云

北京:科学出版社,2019.6

ISBN:978-7-03-049282-1


《中子星与脉冲星天体物理》包括中子星和脉冲星的基础知识,这是伴随空间科学和地面射电望远镜进步的新学科,涉及卫星探测的天体高能现象和能谱与时变的数据分析,还包括中子星/脉冲星的多种现象,诸如高能爆发、X射线、射电辐射、双星系统中吸积加速形成毫秒脉冲星。作者汲取国际最新科学成就,将新的科研成果写进本书。


阅读本书不需要预先具备天体物理和天文学的特定知识,对于理工科学生,他们只要有兴趣了解天文学和天体物理进展,就完全可以阅读本书。对于业余和专业的天文观测者来说,本书是其良师益友,能快速了解脉冲星的基础知识,而不需要投入大量时间去研修现代物理知识。



北京大学天文系乔国俊教授:

中子星与脉冲星是中国天眼FAST的重要科学目标,相关书籍对于我国研究生系统学习提供了不可多得的教材,故而欣然推荐张承民研究员的倾力贡献。


北京大学天文系吴鑫基教授:

张承民的中子星与脉冲星天体物理书籍是一本及时的相关研究和教学资料,这对于中国天眼FAST的科学目标的实施具有裨益。本人与作者合作始于1990年代,深信此书的知识面广博,书写深入浅出,并给学生们带来学习兴趣。




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