变星与脉冲星(下）

文图 中国科学院国家天文台 郭红锋

小编的话：

亲爱的小读者，上期我们给大家介绍了有关变化的恒星——变星的知识，这期我们接着来谈变星中重要的星体—脉冲星！

脉冲星的发现

脉冲星的发现要归功于英国剑桥大学休伊什教授的女研究生乔伊斯.贝尔严谨细致和坚持不懈的探究精神。因为在贝尔之前，也曾有人遇到过这种信号，但却被当做干扰信号而忽略啦，导致其与脉冲星的发现失之交臂！

1967年乔伊斯.贝尔使用3.7米的射电天线做研究时，需要从大量的记录中搜集有用的数据。在辨识记录数据的时候，她发现狐狸星座有一颗星发出一种非预期但有规律的脉冲信号，脉冲的周期非常短（1.337秒），但很稳定。起初她和她的导师休伊什教授都以为是外星人“小绿人”发来的联络信号（当时有科幻小说把外星人描写为“小绿人”），但在接下来半年左右的时间里，贝尔又陆续发现了来自不同方向的数个同样的脉冲信号，这不可能是相距那么远的外星人同时向地球发同样的信号。贝尔经过长期观察、认真记录和反复确认，最后她和导师都认为这是一类未知的天体，并根据这些未知天体的辐射特点，给它们取名叫做脉冲星(Pulsar)，后来证实这就是早期物理学家们预言过的中子星。

脉冲星的发现是天文学上的一件大事，被誉为20世纪60年代天文学的四大发现之一。休伊什教授因此获得了1974年的诺贝尔物理学奖。遗憾的是贝尔女士没有与她的教授一起分享诺奖的荣誉，但国际天文界一直在为她打抱不平，贝尔女士也终生在脉冲星领域从事研究工作，赢得了当时和后世科学家的一致敬仰。

脉冲星与中子星

早在20世纪30年代，中子星就被天体物理学家作为恒星演化的产物而提出。天文学研究表明，大质量恒星的演化末期有一个塌缩过程，恒星塌缩时巨大的压力会把通常组成恒星的物质挤压到一个极小的空间。由于角动量守恒，所以中子星塌缩后的转速会极快，内部的磁场也会极强。

我们知道通常的物质由原子组成。由原子组成的物质空间类似于我们的太阳系，其中绝大多数的质量集中在原子核上。原子核本身体积是很小的，所以原子中有很多空间。中子星的物质就是压缩到原子核尺度的物质结构。例如一颗典型的中子星直径约20千米，相当于一座小城市大小，但是它的质量可以达到跟太阳质量一样大。或者说，1立方厘米的中子星物质的质量就相当于地球上的一座小山那么重。理论预言的中子星密度之大，物理特性之极端，超乎人们的想象，所以在当时大多数人对这个假说持怀疑态度。

直到脉冲星被发现，科学家经过计算推断，只有像中子星那样体积小、密度大、质量大、旋转快的星体才能发出那么快的脉冲频率和那么高的脉冲强度。于是，科学家们相信脉冲星就是一种由中子组成的天体—中子星(见下图模型)。

脉冲星发射的脉冲波束被人们叫做“灯塔效应”，脉冲的周期就是脉冲星的自转周期（一般在毫秒量级）。想象一下，海上灯塔旋转时，从窗口射出的灯光远看就是一闪一闪的，脉冲星（中子星）的辐射也是这样，它不像太阳那样向四处发光，而只是在星体上相对着的两个端点发出辐射。原因是中子星本身存在着极其强大的磁场，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，这两个磁极区就是中子星发射脉冲的“窗口”。

脉冲星研究

自从1967年脉冲星被发现以来，全世界大大小小的射电望远镜已经发现了2000多颗脉冲星，这些脉冲星已经形成了国际脉冲星数据库。但脉冲星是天体演化阶段中的一环，科学家对脉冲星的内部结构和物理性质的进一步研究和确认需要更多脉冲星样本。另外脉冲星的灯塔效应可以为人类未来的宇宙航行提供可靠的路标，脉冲星稳定而快速的脉冲辐射可以作为宇宙计时器。因此，脉冲星研究已经成为当代天文学研究的一个重要分支。

我国著名的“天眼”（2016年在我国贵州落成的500米口径大射电望远镜，简称FAST），在脉冲星观测和发现方面也有自己的优势。截止2019年8月，FAST望远镜已经发现了93颗脉冲星，为国际脉冲星数据库增加了数目可观的样本。FAST的灵敏度高，巡天效率高，短时间能找到更多的脉冲星，也可能观测到其他射电望远镜观测不到的更微弱（或者说更遥远）的脉冲星信号，以及突发的脉冲信号。这将使国际脉冲星数据库的样本急剧增加，从而发现更多的脉冲星种类和数量。

最后，给同学们留下一个思考的问题：你能在自然界中找到其他类似的脉冲信号吗？请发邮件到邮箱chinahou@bao.ac.cn，记得要写清你的联系信息（姓名、学校、电话等）哦，我们会按照你的要求及时回复的。