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中子星
除黑洞外密度最大的星體
中子星，又名波霎，是恒星演化到末期，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點(diǎn)之一。一顆典型的中子星質(zhì)量介于太陽(yáng)質(zhì)量的1.35倍到2.1倍，半徑則在10至20公里之間，乒乓球大小的中子星相當(dāng)于地球上一座山的重量。
中子星是20世紀(jì)激動(dòng)人心的重大發(fā)現(xiàn)，為人類探索自然開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，而且對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，成為上世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。
基本簡(jiǎn)介
中子星簡(jiǎn)介
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中子星，又名波霎（注：脈沖星都是中子星，但中子星不一定是脈沖星，我們必須要收到它的脈沖才算是）是恒星演化到末期，經(jīng)由重力崩潰發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點(diǎn)之一。恒星在核心的氫與核聚變反應(yīng)中耗盡，完全轉(zhuǎn)變成鐵時(shí)便無(wú)法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質(zhì)受重力牽引會(huì)急速向核心墜落，有可能導(dǎo)致外殼的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能向外爆發(fā)產(chǎn)生超新星爆炸，或者根據(jù)局恒星質(zhì)量的不同，整個(gè)恒星被壓縮成白矮星、中子星以至黑洞。白矮星被壓縮成中子星的過(guò)程中恒星遭受劇烈的壓縮使其組成物質(zhì)中的電子并入質(zhì)子轉(zhuǎn)化成中子，直徑大約只有十余公里，但上頭一立方厘米的物質(zhì)便可重達(dá)十億噸，且旋轉(zhuǎn)速度極快，而由于其磁軸和自轉(zhuǎn)軸并不重合，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的無(wú)線電波可能會(huì)以一明一滅的方式傳到地球，有如人眨眼，故又譯作波霎。
中子星的密度為10的11次方千克/立方厘米，也就是每立方厘米的質(zhì)量竟為一億噸之巨。中子星是除黑洞外密度最大的星體，是20世紀(jì)60年代最重大的發(fā)現(xiàn)之一。
中子星起源
中子星的密度為每立方厘米8^14~10^15克，相當(dāng)于每立方厘米重1億噸以上。此密度也就是原子核的密度，是水的密度的一百萬(wàn)億倍。對(duì)比起白矮星的幾十噸/立方厘米，后者似乎又不值一提了。如果把地球壓縮成這樣，地球的直徑將只有22米!事實(shí)上，中子星的密度是如此之大，半徑十公里的中子星的質(zhì)量就與太陽(yáng)的質(zhì)量相當(dāng)了。
同白矮星一樣，中子星是處于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。只不過(guò)能夠形成中子星的恒星，其質(zhì)量更大罷了。根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，當(dāng)老年恒星的質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的約8~2、30倍時(shí)，它就有可能最后變?yōu)橐活w中子星，而質(zhì)量小于8個(gè)太陽(yáng)的恒星往往只能變化為一顆白矮星。但是，中子星與白矮星的區(qū)別，不只是生成它們的恒星質(zhì)量不同。它們的物質(zhì)存在狀態(tài)是完全不同的。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，白矮星的密度雖然大，但還在正常物質(zhì)結(jié)構(gòu)能達(dá)到的最大密度范圍內(nèi)：電子還是電子，原子核還是原子核，原子結(jié)構(gòu)完整。而在中子星里，壓力是如此之大，白矮星中的電子簡(jiǎn)并壓再也承受不起了：電子被壓縮到原子核中，同質(zhì)子中和為中子，使原子變得僅由中子組成，中子簡(jiǎn)并壓支撐住了中子星，阻止它進(jìn)一步壓縮。而整個(gè)中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的?？梢赃@樣說(shuō)，中子星就是一個(gè)巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的質(zhì)量非常大以至于巨大的引力讓光線都是呈拋物線掙脫。
在形成的過(guò)程中，中子星同白矮星是非常類似的。當(dāng)恒星外殼向外膨脹時(shí)，它的核受反作用力而收縮。核在巨大的壓力和由此產(chǎn)生的高溫下發(fā)生一系列復(fù)雜的物理變化，最后形成一顆中子星內(nèi)核。而整個(gè)恒星將以一次極為壯觀的爆炸來(lái)了結(jié)自己的生命。這就是天文學(xué)中著名的“超新星爆發(fā)”。
中子星，是恒星演化到末期，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點(diǎn)之一。恒星在核心的氫、氦、碳等元素于核聚變反應(yīng)中耗盡，當(dāng)它們最終轉(zhuǎn)變成鐵元素時(shí)便無(wú)法從核聚變中獲得能量。
磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的無(wú)線電波等各種輻射可能會(huì)以一明一滅的方式傳到地球，有如人眨眼，故又稱作脈沖星。
一顆典型的中子星質(zhì)量介于太陽(yáng)質(zhì)量的1.35到2.1倍，半徑則在10至20公里之間（質(zhì)量越大半徑收縮得越大），也就是太陽(yáng)半徑的30,000至70,000分之一。因此，中子星的密度在每立方厘米克至克間，此密度大約是原子核的密度。致密恒星的質(zhì)量低于1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量，則可能是白矮星，但質(zhì)量大于錢(qián)德拉塞卡極限（1.5-3.0倍太陽(yáng)質(zhì)量）的中子星會(huì)繼續(xù)發(fā)生引力坍縮，則無(wú)可避免的將產(chǎn)生黑洞。
由于中子星保留了母恒星大部分的角動(dòng)量，但半徑只是母恒星極微小的量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減少導(dǎo)致了轉(zhuǎn)速迅速的遞加，產(chǎn)生非常高的自轉(zhuǎn)速率，周期從毫秒脈沖星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有強(qiáng)大的表面重力，強(qiáng)度是地球的到倍。逃逸速度是將物體由重力場(chǎng)移動(dòng)至無(wú)窮遠(yuǎn)的距離所需要的速度，是測(cè)量重力的一項(xiàng)指標(biāo)。
歷史的發(fā)現(xiàn)
中子星-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
1934年，美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)工作的沃爾特·巴德和弗里茨·茲威基發(fā)表文章稱，中子簡(jiǎn)并壓力能夠支持質(zhì)量超過(guò)錢(qián)德拉塞卡極限的恒星，預(yù)言了中子星的存在。為尋找超新星爆炸的解釋，他們提議中子星是超新星爆炸后的產(chǎn)物。超新星是突然出現(xiàn)在天空中的垂死恒星，在出現(xiàn)后的幾天或整個(gè)星期內(nèi)，在可見(jiàn)光的亮度上可以超越整個(gè)星系。巴德和茨威基正確的解釋產(chǎn)生中子星時(shí)釋放出的重力束縛能能量供給了超新星的能量：“在超新星形成的過(guò)程中大量的質(zhì)量被湮滅”。如果在中心的大質(zhì)量恒星在他崩潰之前的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的3倍，那么在中心可能形成一顆2倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星。被釋放出來(lái)的束縛能（E=mc2）相當(dāng)于一個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量全數(shù)轉(zhuǎn)化成能量，這足以作為超新星最后的能量來(lái)源。
第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前不久，美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·奧本海默和沃爾科夫提出了系統(tǒng)的中子星理論，認(rèn)為在質(zhì)量與太陽(yáng)相似的恒星內(nèi)部可以達(dá)到簡(jiǎn)并中子的流體靜力學(xué)平衡，但是并沒(méi)有引起天文學(xué)界的重視。
1967年，劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的喬絲琳·貝爾和安東尼·休伊什發(fā)現(xiàn)了有規(guī)律的無(wú)線電脈沖，隨后被推斷來(lái)自于旋轉(zhuǎn)中的中子星，而且極大數(shù)量的中子星都屬于此類。
1968年有人提出脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星。
1971年，里卡爾多·賈科尼等人發(fā)現(xiàn)半人馬座的X射線源半人馬座X-3具有4.8秒的周期，他們解釋這是一顆炙熱的中子星環(huán)繞者另一顆恒星的結(jié)果，能量來(lái)源是持續(xù)不斷掉落至中子星表面的氣體釋放出的引力勢(shì)能。這是第一顆證認(rèn)的X射線雙星。
在1974年，安東尼·休伊什因?yàn)樵诿}沖星的發(fā)現(xiàn)上所扮演的角色而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但是共同的發(fā)現(xiàn)者SamuelOkoye和喬絲琳·貝爾并未一同獲獎(jiǎng)。
2007年天文學(xué)家借助歐洲航空局(ESA)的珈馬射線天文望遠(yuǎn)鏡(Integral)，發(fā)現(xiàn)了迄今旋轉(zhuǎn)速度最快的中子星。這顆中子星編號(hào)為XTEJ1739-285，每秒鐘可沿自己的軸線旋轉(zhuǎn)1122圈。按照地球的概念轉(zhuǎn)一圈一天的話，在這個(gè)中子星上一秒鐘可以經(jīng)過(guò)3年多。這個(gè)發(fā)現(xiàn)推翻了原來(lái)認(rèn)為的每秒700圈的星體轉(zhuǎn)速極限。
這顆中子星的直徑約10公里,但質(zhì)量卻與太陽(yáng)相近,其密度驚人,高達(dá)每立方厘米1億噸。其巨大的引力從臨近的恒星上不斷奪取大量炙熱氣體,并不斷誘發(fā)熱核爆炸。
這顆名為PSRJ1614-223的中子星的大小與一個(gè)小城市差不多，相對(duì)而言并不算是一個(gè)大的星球，但其密度卻是驚人的高，它上面很少量一點(diǎn)物質(zhì)的質(zhì)量就高達(dá)5億噸！
2022年9月24日，據(jù)環(huán)球Tech消息，LAMOST黑洞獵手計(jì)劃研究團(tuán)隊(duì)利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆距離地球大約1037光年、處于雙星系統(tǒng)中的寧?kù)o態(tài)中子星。
中子星的前身
中子星的前身一般是一顆質(zhì)量為10-29倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。它在爆發(fā)坍縮過(guò)程中產(chǎn)生的巨大壓力，使它的物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化。在這種情況下，不僅原子的外殼被壓破了，而且連原子核也被壓破了。原子核中的質(zhì)子和中子便被擠出來(lái)，質(zhì)子和電子擠到一起又結(jié)合成中子。最后，所有的中子擠在一起，形成了中子星。顯然，中子星的密度，即使是由原子核所組成的白矮星也無(wú)法和它相比。在中子星上，每立方厘米物質(zhì)足足有一億噸重甚至達(dá)到十億噸。
當(dāng)發(fā)射電波的那部分對(duì)著地球時(shí)，我們就收到電波；當(dāng)這部分隨著星體的轉(zhuǎn)動(dòng)而偏轉(zhuǎn)時(shí)，我們就收不到電波。所以，我們收到的電波是間歇的。這種現(xiàn)象又稱為“燈塔效應(yīng)”。
演化狀態(tài)
中子星并不是恒星的最終狀態(tài)，它還要進(jìn)一步演化。由于它溫度很高，能量消耗也很快，因此，它通過(guò)減慢自轉(zhuǎn)以消耗角動(dòng)量維持光度。當(dāng)它的角動(dòng)量消耗完以后，中子星將變成不發(fā)光的黑矮星。
中子星的性質(zhì)
作為一顆中子星，中子星具有許多非常獨(dú)特的性質(zhì)，這些性質(zhì)使我們大開(kāi)眼界。因?yàn)?，它們都是在地球?qū)嶒?yàn)室中永遠(yuǎn)也無(wú)法達(dá)到的，從而使我們更加深入地認(rèn)識(shí)到恒星的一些本質(zhì)。概括起來(lái)說(shuō)，這些性質(zhì)是：
大小
一個(gè)典型中子星的半徑只有10千米左右。中子星外部是一個(gè)固態(tài)的鐵的外殼，大約厚1千米，密度在10^11~10^14克/立方厘米之間；內(nèi)部幾乎完全是中子組成的流體，密度為10^14~10^15克/立方厘米。
密度
密度很大。密度一般用1立方厘米有多少克來(lái)表示，水的密度是每立方厘米重1克，鐵是7.9克，汞是13.6克。如果我們從脈沖星上面取下1立方厘米物質(zhì)，稱一下，它可重1億噸以上、甚至達(dá)到10億噸。假定我們地球的密度也達(dá)到這種聞所未聞的驚人程度的話，那它的平均半徑就不是6371公里，而只有22米！
溫度
溫度極高。據(jù)估計(jì)，新生的中子星中心溫度約為到開(kāi)爾文。我們以太陽(yáng)來(lái)作比較，就可以有個(gè)稍具體的概念：太陽(yáng)表面溫度6000℃不到，越往里溫度越高，中心溫度約1500萬(wàn)度。
中子星形成的初期，它的冷卻是經(jīng)過(guò)所謂的烏卡（URCA)過(guò)程，內(nèi)部的溫度降到1億K時(shí)，烏卡過(guò)程就停止了，其它的中微子過(guò)程繼續(xù)主導(dǎo)冷卻。1000年后冷卻由光輻射主導(dǎo)。此后大約1萬(wàn)年的時(shí)間里，表面溫度一直維持在K左右。
磁場(chǎng)
特別強(qiáng)的磁場(chǎng)。在地球上，地球磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，但也只有0．7Gs（高斯是磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位,1Gs=T）。太陽(yáng)黑子的磁場(chǎng)更是強(qiáng)得不得了，約1000～4000Gs。而大多數(shù)脈沖星表面極區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度就高達(dá)10000億Gs，甚至20萬(wàn)億Gs。
脈沖星都是我們銀河系內(nèi)的天體，距離一般都是幾千光年，最遠(yuǎn)的達(dá)55000光年左右。根據(jù)一些學(xué)者的估計(jì)，銀河系內(nèi)中子星的總數(shù)至少應(yīng)該在20萬(wàn)顆以上，到80年代末，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的還不到估計(jì)數(shù)的千分之五。今后的觀測(cè)、研究任務(wù)還很艱巨。
中子星從發(fā)現(xiàn)至今，只有短短二三十年的時(shí)間，盡管如此，不論在推動(dòng)天體演化的研究方面，在促進(jìn)物質(zhì)在極端條件下的物理過(guò)程和變化規(guī)律的研究方面，它已經(jīng)為科學(xué)家們提供了非常豐富而不可多得的觀測(cè)資料，作出了貢獻(xiàn)。同時(shí)，它也在這個(gè)新開(kāi)拓的領(lǐng)域內(nèi)，向人們提出了一連串的問(wèn)題和難解的謎。
能量輻射
中子星的能量輻射是太陽(yáng)的100萬(wàn)倍。按照世界上的用電情況。它在一秒鐘內(nèi)輻射的總能量若全部轉(zhuǎn)化為電能，就夠我們地球用上幾十億年。
結(jié)構(gòu)
研究?jī)r(jià)值
引力波研究
北京時(shí)間2017年10月16日22點(diǎn)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）于2017年8月17日首次發(fā)現(xiàn)雙中子星并合引力波事件，國(guó)際引力波電磁對(duì)應(yīng)體觀測(cè)聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)了該引力波事件的電磁對(duì)應(yīng)體。
重金屬元素的來(lái)源
長(zhǎng)期以來(lái)普遍認(rèn)為普通的元素如氧和碳，是在將近死亡的恒星爆炸變成新星時(shí)生成的，但是研究學(xué)者們感到困惑的是，數(shù)據(jù)顯示這些恒星爆炸不能產(chǎn)生像在地球上這樣大量存在的重金屬元素。來(lái)自英國(guó)萊瑟斯特大學(xué)和瑞士巴塞爾大學(xué)的這些科學(xué)家們相信，答案存在于稀有的中子星對(duì)上。
中子星是生成新型的大恒星的超高密度的內(nèi)核，它們所包含的物質(zhì)有我們的太陽(yáng)那么多，但只有大約一座城市那么大。有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)兩顆中子星互相繞對(duì)方沿軌道旋轉(zhuǎn)，這是雙星系的遺留物，在我們的銀河系中已知有4對(duì)?？茖W(xué)家們使用了在英國(guó)倫敦以北100英里的萊瑟斯特天體物理流體設(shè)備的超級(jí)計(jì)算機(jī)做模擬，如果使它們慢慢旋轉(zhuǎn)著靠近發(fā)生爆炸，這樣巨大的引力會(huì)造成什么結(jié)果。
進(jìn)行一次這樣的計(jì)算要耗費(fèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)幾個(gè)星期的時(shí)間，而這只是在兩個(gè)星球的一生中最后幾個(gè)毫秒中發(fā)生的事情。結(jié)果顯示，當(dāng)中子星靠近時(shí)，巨大的力量將它們劈開(kāi)，釋放出足夠的能量，可以將整個(gè)宇宙照亮幾個(gè)毫秒。這個(gè)碰撞更可能是產(chǎn)生一個(gè)黑洞——空間中吞沒(méi)光的裂口——并在發(fā)生核反應(yīng)時(shí)噴射出灰，把質(zhì)子射入輕元素的原子核而生成重元素。噴發(fā)出的物質(zhì)和恒星間的氣體和灰塵相混合、碰撞，構(gòu)成了新的一代星體，慢慢使重金屬散布在銀河系中。
在宇宙中出現(xiàn)這種罕見(jiàn)的現(xiàn)象的幾率大約是一百億年以上，這和我們?cè)谝延形迨畠|年壽命的太陽(yáng)系中對(duì)元素光譜所做的分析結(jié)果相符，為這種理論提供了有力的證據(jù)。令人驚奇的是所做的模型產(chǎn)生出的元素的數(shù)量和宇宙非常非常接近，它部分回答了我們的世界從何而來(lái)這個(gè)問(wèn)題。
中子星性質(zhì)
中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所原子核質(zhì)量測(cè)量團(tuán)隊(duì)與合作者基于蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)，利用國(guó)際首創(chuàng)的新型質(zhì)譜術(shù)，精確測(cè)量了一批關(guān)鍵原子核的質(zhì)量，研究了中子星表面的X射線暴，從新的角度約束了中子星的性質(zhì)。相關(guān)結(jié)果于北京5月1日發(fā)表在《自然—物理》(Nature Physics) 上。
天文信息
天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了迄今轉(zhuǎn)速最快的中子星，每秒旋轉(zhuǎn)1122圈，比地球自轉(zhuǎn)快1億倍。最先觀測(cè)到這顆星的西班牙天文學(xué)家?guī)炜死照f(shuō)，早在1999年便已發(fā)現(xiàn)了這顆代號(hào)為J1739-285的中子星，但不久前才通過(guò)望遠(yuǎn)鏡算出它的轉(zhuǎn)速。這顆中子星的直徑約10千米。
天文學(xué)家正是通過(guò)這種現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了它。此前的中子星自轉(zhuǎn)紀(jì)錄是每秒716圈，恒星轉(zhuǎn)速一般在每秒270-715圈。700圈曾被認(rèn)為是天體旋轉(zhuǎn)極限，按當(dāng)今的物理學(xué)理論，轉(zhuǎn)速超過(guò)此極限，恒星將被強(qiáng)大向心力摧毀或化為黑洞。但最新發(fā)現(xiàn)否定了這一看法。理論上，每秒1122轉(zhuǎn)并不是旋轉(zhuǎn)極限，大型中子星轉(zhuǎn)速有可能高達(dá)3000轉(zhuǎn)。令天文學(xué)家困惑的是，為什么天體在高速旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)大離心力下，卻依舊會(huì)不斷收縮，而且不損失自身物質(zhì)。
發(fā)現(xiàn)脈沖星
1967年10月，劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的安東尼·休伊什教授的研究生——24歲的喬絲琳·貝爾檢測(cè)射電望遠(yuǎn)鏡收到的信號(hào)時(shí)無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號(hào)，它們的周期十分穩(wěn)定，為1.337秒。起初她以為這是外星人“小綠人（LGM）”發(fā)來(lái)的信號(hào)，但在接下來(lái)不到半年的時(shí)間里，又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)這樣的脈沖信號(hào)。后來(lái)人們確認(rèn)這是一類新的天體，并把它命名為脈沖星(Pulsar，又稱波霎)。脈沖星與類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子一道，并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。
然而，榮譽(yù)出現(xiàn)了歸屬爭(zhēng)議。1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠只戴在導(dǎo)師休伊什的頭上，完全忽略了學(xué)生貝爾的貢獻(xiàn)，輿論一片嘩然。英國(guó)著名天文學(xué)家霍伊爾爵士在倫敦《泰晤士報(bào)》發(fā)表談話，他認(rèn)為，貝爾應(yīng)同休伊什共享諾貝爾獎(jiǎng)，并對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)授獎(jiǎng)前的調(diào)查工作欠周密提出了批評(píng)，甚至認(rèn)為此事件是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上一樁丑聞、性別歧視案。霍伊爾還認(rèn)為，貝爾的發(fā)現(xiàn)是非常重要的，但她的導(dǎo)師竟把這一發(fā)現(xiàn)扣壓半年，從客觀上講就是一種盜竊。更有學(xué)者指出，“貝爾小姐作出的卓越發(fā)現(xiàn)，讓她的導(dǎo)師休伊什贏得了諾貝爾物理獎(jiǎng)”。著名天文學(xué)家曼徹斯特和泰勒所著《脈沖星》一書(shū)的扉頁(yè)上寫(xiě)道：“獻(xiàn)給喬瑟琳·貝爾，沒(méi)有她的聰明和執(zhí)著，我們不能獲得脈沖星的喜悅?！标P(guān)于脈沖星真正發(fā)現(xiàn)者的爭(zhēng)論和對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的質(zhì)疑，已經(jīng)歷了40年。40年后的今天，它再次成為關(guān)注話題?；厥淄?，作為導(dǎo)師的休伊什獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，無(wú)可厚非，但貝爾失去殊榮，卻令人感到惋惜。如果沒(méi)有貝爾對(duì)“干擾”信號(hào)一絲不茍的追究，他們可能錯(cuò)過(guò)脈沖星的發(fā)現(xiàn)。若把諾貝爾獎(jiǎng)“競(jìng)賽”比作科學(xué)“奧運(yùn)會(huì)”，那么，40年前的“裁判”們顯然吹了“黑哨”，至少是誤判，這玷污了諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)公正權(quán)威性。
貝爾訪問(wèn)北京期間，筆者與她談起脈沖星的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷和對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)的看法。1993年，兩位美國(guó)天文學(xué)家因發(fā)現(xiàn)脈沖星雙星而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)格外精心，邀請(qǐng)貝爾參加了頒獎(jiǎng)儀式，算是一種補(bǔ)償吧。1968年，離開(kāi)劍橋后，她和休伊什沒(méi)有再合作，直到上世紀(jì)80年代，他們才在一次國(guó)際會(huì)議上相見(jiàn)，并握手言和。脈沖星發(fā)現(xiàn)以來(lái)，除了諾貝爾獎(jiǎng)，她榮獲了十幾項(xiàng)世界級(jí)科學(xué)獎(jiǎng)，并成為科學(xué)大使。
與脈沖星區(qū)別
所有的脈沖星都是高速自轉(zhuǎn)的中子星，也就是說(shuō)脈沖星是中子星的一種，但中子星不全是脈沖星，我們要收到脈沖信號(hào)才算。中子星具有強(qiáng)磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子發(fā)出同步輻射，形成與中子星一起轉(zhuǎn)動(dòng)的射電波束。由于中子星的自轉(zhuǎn)軸和磁軸一般并不重合，每當(dāng)射電波束掃過(guò)地球時(shí)，就接收到一個(gè)脈沖。這時(shí)這顆中子星也叫脈沖星。脈沖星是本世紀(jì)60年代四大天文發(fā)現(xiàn)之一(其他三個(gè)是：類星體、星際有機(jī)分子、宇宙3K微波輻射)。因?yàn)樗煌５匕l(fā)出無(wú)線電脈沖，而且兩個(gè)脈沖之間的間隔(脈沖周期)十分穩(wěn)定，準(zhǔn)確度可以與原子鐘媲美。各種脈沖星的周期不同，長(zhǎng)的可達(dá)4.3秒，短的只有0.3秒，甚至毫秒級(jí)。
中子星一邊自轉(zhuǎn)一邊發(fā)射像電子束一樣的電脈沖。該電脈沖像燈塔發(fā)出的光一樣，以一定的時(shí)間隔掠過(guò)地球。當(dāng)它正好掠過(guò)地球時(shí)，我們就可以測(cè)定它的有關(guān)數(shù)值。
脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，但并不是所有的中子星都是脈沖星。因?yàn)楫?dāng)中子星的輻射束不掃過(guò)地球時(shí)，我們就接收不到脈沖信號(hào)，此時(shí)中子星就不表現(xiàn)為脈沖星了。
中子星和黑洞
中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最強(qiáng)大的兩類頗具神秘感的天體。光是中子星就已經(jīng)夠不可思議了，偏偏還要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷阱和無(wú)底深淵，沒(méi)有物質(zhì)能擺脫它的強(qiáng)大引力，包括光線。在它附近，今天的所有物理定律都顯得不適用了。
恒星末期
我們知道，當(dāng)恒星走完其漫長(zhǎng)的一生后，小質(zhì)量和中等質(zhì)量的恒星將成為一顆白矮星，大質(zhì)量和超大質(zhì)量的恒星則會(huì)導(dǎo)致一次超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后恒星如何演變將取決于剩下星核的質(zhì)量。印度天體物理學(xué)家昌德拉塞卡于上世紀(jì)三十年代末發(fā)現(xiàn)，當(dāng)留下的星核質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)的一點(diǎn)四倍時(shí)，其引力將大到足以把星核內(nèi)的原子壓縮到使電子和質(zhì)子結(jié)合成中子的程度。此時(shí)這顆星核就成了一顆中子星，其密度相當(dāng)于把一個(gè)半太陽(yáng)的質(zhì)量塞進(jìn)直徑約二十四公里的一個(gè)核內(nèi)。
人馬座A(NGC5128)星系中心的塵埃盤(pán)，其中有一個(gè)巨大的超級(jí)黑洞。(HST)
中子星面積
中子星的面積為約30---300平方千米，地球5.1億平方千米，地球面積是中子星的約170-1700萬(wàn)倍。
中子星形成
中子星的前身一般是一顆質(zhì)量比太陽(yáng)大的恒星。每立方厘米物質(zhì)足足有10億噸重。當(dāng)恒星收縮為中子星后，自轉(zhuǎn)就會(huì)加快，能達(dá)到每秒幾圈到幾十圈。同時(shí)，收縮使中子星成為一塊極強(qiáng)的“磁鐵”，這塊“磁鐵”在它的某一部分向外發(fā)射出電波。當(dāng)它快速自轉(zhuǎn)時(shí)，就像燈塔上的探照燈那樣，有規(guī)律地不斷向地球掃射電波。
可測(cè)的中子星
X-射線爆發(fā)
中子星與低質(zhì)量恒星共同組成的聯(lián)星，在質(zhì)量吸積的過(guò)程中會(huì)造成中子星表面不規(guī)則的能量爆發(fā)。
脈沖星簡(jiǎn)介
史瓦西半徑
超新星爆發(fā)后，如果星核的質(zhì)量超過(guò)了太陽(yáng)質(zhì)量的兩至三倍，那它將繼續(xù)坍縮，最后成為一個(gè)體積無(wú)限小而密度無(wú)窮大的奇點(diǎn)，從人們的視線中消失。圍繞著這個(gè)奇點(diǎn)的是一個(gè)“無(wú)法返回”的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的邊界稱為“視野”或“事件地平”，區(qū)域的半徑叫做“史瓦西半徑”。任何進(jìn)入這個(gè)區(qū)域的物質(zhì)，包括光線，都無(wú)法擺脫這個(gè)奇點(diǎn)的巨大引力而逃逸，它們就像掉進(jìn)了一個(gè)無(wú)底深淵，永遠(yuǎn)不可能返回。
磁星簡(jiǎn)介
還有另外一種中子星，稱作磁星。磁星具有大約1011特斯拉的磁場(chǎng)，大約是普通中子星的1000倍。這足以在月球軌道的一半距離上擦除地球上的一張信用卡。作為對(duì)比，地球的自然磁場(chǎng)是大約6×10－5特斯拉；一小塊釹磁鐵的磁場(chǎng)大約是1特斯拉；多數(shù)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁介質(zhì)可以被10-3特斯拉的磁場(chǎng)擦除。
磁星有時(shí)會(huì)產(chǎn)生X射線脈沖。大約每10年，銀河系中就會(huì)有某一顆磁星爆發(fā)出很強(qiáng)的伽馬射線。磁星有比較長(zhǎng)的自轉(zhuǎn)周期，一般為5到12秒，因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)磁場(chǎng)會(huì)使得自轉(zhuǎn)速度減慢。
與黑洞相遇
在兩者相距200~300億公里時(shí)，中子星表層物質(zhì)發(fā)生不穩(wěn)定，磁場(chǎng)有明顯的異常波動(dòng)。當(dāng)兩者相距達(dá)到100億公里時(shí)，中子星的外物質(zhì)便會(huì)飛逸而出，并在黑洞周邊高速環(huán)繞，之后中子星便向黑洞“奇點(diǎn)”做螺旋形下墜運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)?0億公里時(shí)，黑洞和中子星的磁場(chǎng)劇烈碰撞，并放出大量電子和光，之后中子星的能量便會(huì)慢慢消耗，而后被黑洞吞沒(méi)，其時(shí)間依據(jù)中子星的體積而論，但一般不會(huì)超過(guò)6個(gè)小時(shí)。
中子星結(jié)構(gòu)
中子星外殼
結(jié)構(gòu)圖
巨大核心
中子星
β衰變成電子、質(zhì)子、中微子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
中子星特征
中子星質(zhì)量
中子星半徑
中子星半徑的典型值約為10公里。
中子星密度
中子星磁場(chǎng)
中子星另一個(gè)重要特征是存在強(qiáng)度極高的磁場(chǎng)，超過(guò)10的12次方高斯，它使表層的鐵聚合成長(zhǎng)長(zhǎng)的鐵原子鏈：每個(gè)原子都被壓縮并沿磁場(chǎng)被拉長(zhǎng)，而且首尾相接，形成從表面向外伸出的“須狀物”。在表面以下，由于壓力太高，單個(gè)原子不能存在。它使中子星沿著磁極方向發(fā)射束狀無(wú)線電波（射電波）。中子星自轉(zhuǎn)非?？?，能達(dá)到每秒幾百轉(zhuǎn)。中子星的磁極與兩極通常不吻合，所以如果中子星的磁極恰好朝向地球，那么隨著自轉(zhuǎn)，中子星發(fā)出的射電波束就會(huì)象一座旋轉(zhuǎn)的燈塔那樣一次次掃過(guò)地球，形成射電脈沖。人們又稱這樣的天體為“脈沖星”。1967年發(fā)現(xiàn)了脈沖星，首次證明了中子星的存在。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)1620多顆脈沖星，普遍認(rèn)為它們就是旋轉(zhuǎn)的中子星。蟹狀星云脈沖星和船帆座脈沖星的脈沖周期極短，說(shuō)明它們不可能是白矮星。據(jù)認(rèn)為，脈沖星是由于它們的旋轉(zhuǎn)和強(qiáng)磁場(chǎng)而產(chǎn)生的一種電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，就像發(fā)電機(jī)的情況一樣。另有證據(jù)表明，某些雙星X射線源也包含著中子星，它們似乎是由于壓縮從伴星吸積到它們表面上的物質(zhì)而發(fā)出X射線的。中子星據(jù)信是超新星爆發(fā)形成的，在該過(guò)程中，隨著核心密度增至10趵15次方/立方厘米，中子壓力便會(huì)頂住中心核的坍縮。若坍縮中心核的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的2倍，則不能形成中子星而可能變成黑洞。
反常中子星
爆發(fā)時(shí)的變化
中子星
在重力的吸引下，中子星上面會(huì)形成一個(gè)10至100米厚的堆積層。堆積層主要由氦構(gòu)成，在溫度及壓力的作用下，這些堆積層會(huì)發(fā)生核聚變。當(dāng)氦聚變為碳或其它重物質(zhì)時(shí)，會(huì)釋放出大量能量及強(qiáng)烈的X射線。在中子星上這種爆發(fā)通常每天都會(huì)發(fā)生幾次，每次會(huì)持續(xù)幾秒。但此次觀測(cè)到的是4U1820－30的一次超級(jí)爆發(fā)，它釋放出比正常爆發(fā)多幾千倍的能量。科學(xué)家認(rèn)為在氦聚變時(shí)會(huì)積累下以碳為主的核灰塵，而超級(jí)爆發(fā)是由核灰塵引起的，炭灰塵積累幾年后才會(huì)引起聚變。
中子星超級(jí)爆發(fā)時(shí)，就像閃光燈在表面閃亮，照到它的吸積盤(pán)的內(nèi)部地區(qū)。中子星爆發(fā)發(fā)出的X射線照射到吸積盤(pán)中的鐵原子，發(fā)出X射線熒光。羅希X射線時(shí)變探測(cè)器每隔幾秒鐘就可以觀測(cè)一次鐵原子X(jué)射線熒光的光譜，由此可確定鐵原子的溫度、速率及在中子星周圍的位置，通過(guò)把這些信息累加起來(lái)，就可以知道中子星爆發(fā)時(shí)吸積盤(pán)的變化情況。
由于4U1820－30的這次罕有的爆發(fā)釋放了巨大的能量，在3小時(shí)內(nèi)釋放的能量超過(guò)太陽(yáng)在100年中釋放的能量，照亮了它的吸積盤(pán)的最內(nèi)部的區(qū)域，使科學(xué)家們能觀察以前見(jiàn)不到的細(xì)節(jié)。他們?cè)诖蠹s1000秒的時(shí)間內(nèi)，看到了距中子星表面約10英里的氣體圍繞中子星流動(dòng)及回復(fù)到原有狀態(tài)的細(xì)節(jié)。
碰撞爆炸產(chǎn)物
美國(guó)哈佛－史密森天體物理學(xué)中心研究人員說(shuō)，2013年6月，他們借助美國(guó)航天局SWIFT衛(wèi)星，觀測(cè)到一次伽馬射線暴。這一代號(hào)為GRB 130603B的伽馬射線暴距地球約39億光年，持續(xù)時(shí)間不到0.2秒，但其紅外線余暉卻持續(xù)數(shù)天時(shí)間。
研究人員解釋說(shuō)，中子星碰撞后會(huì)噴射出富含中子的物質(zhì)，這些物質(zhì)產(chǎn)生的放射性元素在衰變時(shí)就會(huì)發(fā)出這種紅外線余暉。結(jié)合宇宙大爆炸以來(lái)可能發(fā)生的中子星碰撞爆炸數(shù)量以及一次伽馬射線暴可能產(chǎn)生的金子數(shù)量，研究人員發(fā)現(xiàn)，宇宙中的金子可能全部來(lái)自這種伽馬射線暴。
2021年，根據(jù)《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》6月29日刊登的一篇論文，來(lái)自美國(guó)、日本和歐洲的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)首次明確證實(shí)了黑洞和中子星的碰撞。
參考資料
[1]
知識(shí)人 中子星 2007-04-22[引用日期2009-12-20]
[2]
人類首次證實(shí)黑洞與中子星碰撞 · 西瓜[引用日期2021-06-30]
[3]
我國(guó)天文學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)一顆寧?kù)o態(tài)中子星 · 今日頭條-環(huán)球Tech[引用日期2022-09-25]
[4]
國(guó)際最新研究發(fā)現(xiàn)一顆“輕盈”中子星 或?yàn)椤捌娈愋恰?/span> · 今日頭條[引用日期2022-10-26]
[5]
宇宙級(jí)別的完美爆炸 距地球1億多光年千新星球形爆炸 · 中新網(wǎng)[引用日期2023-02-16]
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