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1、36第七章 脉冲星和中子星-1，中子星的预言2，脉冲星的发现3，小绿人和地外文明4，脉冲星是高速自转的磁中子星5，中子星的形成6，休伊什获1974年诺贝尔奖7，令人牵肠挂肚的引力波检测8，射电脉冲双星的发现9，引力辐射的验证10，毫秒脉冲星的发现脉冲星是20世纪60年代天文学的四大发现之一。脉冲星的发现证实了中子星的存在。中子星具有和太阳相当的质量，但半径只有10千米。因此具有非常高的密度，成为一种典型的致密星。英国天文学家休伊什教授和他的研究生乔丝琳贝尔女士一起发现了脉冲星，在宇宙中找到了物理学家和天文学家梦寐以求的中子星。休伊什因发现脉冲星并证认为中子星而荣获 1974 年的获得诺贝尔物理
2、奖。美国天文学家泰勒和赫尔斯因发现射电脉冲双星及简介验证引力波的存在而荣获 1993 年诺贝尔物理学奖。1，中子星的预言中子的发现直到 1930 年，物理学家还不知道原子核中有中子存在。中子发现的意义远远超出原子物理学的范围，很快就向天体物理学提出挑战：在宇宙中有没有“完全由中子组成的恒星” ？一个在物理学实验室中微观世界实验的进展，马上向宏观世界的恒星世界提出挑战。37中子星的预言1931年当物理学家朗道知道中子发现后，仅过了几个小时就提出中子星的概念。他指出，中子星非常小，非常致密，辐射非常微弱。1934年兹维基和巴德各自提出“中子星是大质量恒星演化到超新星爆发之后的产物。恒星坍缩后，在其
3、核心形成中子星。 ”1939年中子星的内部结构理论：一个太阳质量，半径为10公里，密度达到 。1043gcm/中子星在哪里呢？天文学家处于“一问三不知”的窘境，一是不知道中子星的辐射主要在射电波段；二是不知道中子星的辐射是脉冲形式；三是不知道中子星自转得是如此之快。这不是天文学家的过错，天文学研究的魅力所在，就是它常常出人意料。中子星的光度特别小光度是和恒星的表面积成正比，天狼星伴星的光度比天狼星小1万倍，其表面积比天狼星小1万倍，半径约为7000千米。中子星的半径10千米，按照同样的道理，如果天狼星B是中子星，它的光度要比天狼星小多少倍？答案是几十亿倍。蟹状星云能源之谜蟹状星云：射电、光学、
4、X和 射线辐射。把蟹状星云所有频率上的辐射加起来，相当于十万个太阳的辐射。一团稀薄的气体，其能量来自何方？光学观测发现蟹状星云在膨胀，每年大约0.2角秒左右，而且膨胀速度在加快。星云膨胀加速度的能量由谁来提供？同步辐射：高能带电粒子在磁场中运动产生的辐射，高能电子来自何方？磁场是怎样形成的？38帕齐尼预言（1967年）蟹状星云中的一颗中子星，每秒自转多次，具有很强的磁场，提供蟹状星云所需的能量。休伊什观测蟹状星云（1965年）他用行星际闪烁方法测出了蟹状星云中存在一个致密成分，其角径只有约0.2角秒，亮温度达到10 14K。当时他就指出这个致密成分可能是1054年超新星爆发的遗留物。可惜，他并
5、没有认识到这个致密源就是中子星。2，脉冲星的发现休伊什生平休伊什 1924 年 5 月 11 日出生，中学毕业后进了剑桥大学，一年之后，成为皇家飞机研究所的成员，不久调到电讯研究所。战争期间，他参与机载反雷达设备的研究，指导空军人员使用雷达干扰设备。1946 年第二次世界大战结束后休伊什回到剑桥继续学习，1948 年毕业后被推荐进入卡文迪什实验室工作。1952 年获博士学位后，在卡文迪什实验室成为赖尔的助手。什么是行星际闪烁？星星为什么向我们眨眼？地球大气对流层中空气密度的不规则变化和扰动对光波的影响。地球的电离层对无线电波的作用也会产生闪烁。太阳系行星际空间充满着由太阳风所带来的密度不均匀的
6、等离子体，它们也会使射电波发生闪烁。行星际闪烁的特点行星际介质对射电波所产生的闪烁现象是快速的，在秒的数量级。只有角径很小的射电源通过行星际空间才有闪烁现象。类星体1963 年，20 世纪 60 年代四大发现之一。它们具有像恒星那样小的角径（小于 1 角秒） ，39但不是恒星。有很大的红移，类星体是迄今为止天文学家所知道的距离最遥远、能量最大的天体。剑桥大学的闪烁望远镜1965 年，剑桥大学射电天文台决定采用行星际闪烁技术大规模地确认类星体。研制专门用于行星际闪烁的大型射电望远镜。足够大的天线面积：长 470 米宽 45 米宽的矩形天线阵，由 16 排，每排 128 个振子天线共 2048 个
7、振子组成。3.7 米的波长： 闪烁比较强；望远镜造价低，制造容易。时间分辨率达到 0.1 秒。固定不动。乔斯林贝尔和脉冲星的发现乔斯林贝尔（Q.Bell）小姐是休伊什的博士生，年仅 24 岁。贝尔在英国格拉斯哥大学获物理学学士以后就想攻读天文学博士学位。她首选的是焦德尔班克天文台，可是由于工作人员把她的申请丢失，她才到了剑桥大学。因“错”立功丢失贝尔申请书的帕尔默辩解说， “要不是我把她的申请信丢了，那脉冲星到现在还没有发现呢！”乔斯林贝尔如果不是参与当时最高水平的行星际闪烁的观测研究的实践，也是无缘发现脉冲星的。繁重的观测和资料处理任务贝尔负责观测，每周重复巡视一次，每天记录纸有七八米。6
8、个月的观测取得 5.6千米的记录纸的原始资料。区分闪烁源和干扰成为每天必做的工作。在观测程序上，每隔一周重复观测一次，这样才能把干扰识别出来。贝尔发现不寻常“闪烁源”67 年 8 月，贝尔注意到一个发生在深夜的“闪烁源” 。夜晚太阳风很弱，强闪烁源是40不会发生在夜晚的。在排除了人为干扰和确认这个信号遵守恒星时以后，休伊什认为可能是一颗来自太阳系之外的射电耀星。确认是来自太阳系外的信号对这个信号的监测发现，它遵守恒星时，而不是太阳时。确认是来自太阳系外的信号。太阳日：太陽回到相對於地面同一位置便是一天，例如由今天中午至明天的中午。恆星日：恒星返回天空同一位置為一恆星日。由於地球公轉的關係，一年
9、中約有365個太陽日，366個恆星日。一個太陽日比一個恆星日约长4分钟。确认发现脉冲星如果是来自太阳系外行星上的人为信号，这个脉冲信号中必然附加了行星轨道运动所产生的多普勒位移。他们经过一系列的实验，没有测出这种位移，从而否定了小绿人的看法。休伊什利用精确的时标，在改正地球轨道运动的影响之后，惊讶地发现脉冲周期可以精确到千万分之一秒。测出的周期是 1.3372795 秒。终于确认脉冲信号是来自一种新型的天体脉冲星的辐射。当时取名为 CP1919，CP 为剑桥大学，1919 是脉冲星的赤经。贝尔再立功她又从过去多达 5000 米记录纸所记录下的资料中，又找到 3 个脉冲星。其中一颗名叫 PSR0
10、95008 的脉冲周期仅 0.25 秒。作为脉冲星的最先发现者，贝尔的功绩是不可磨灭的。3， “小绿人”和地外文明“小绿人”11 月 28 日，贝尔成功地记录到这个信号的脉冲周期约为 1.33 秒。任何已知天体的辐射都不会是这样的短周期脉冲。休伊什提出可能是在太阳系外围绕恒星作轨道运动的行星上的“小绿人”发出的信号。10 年后贝尔写道， “当时我不完全理解观测到的脉冲一定是人工的。我所不知道（但41本来应该知道）的是，这样快速的变化是难从恒星、星系或当时知道的任何其它类型的天体获得的。 ”贝尔女士说：“ 当我在搞一项新技术以取得博士学位，可一帮傻呼呼的小绿人却选择了我的天线和我的频率来同我们通
11、讯”地外文明是严肃的科学问题地外文明是人们长期以来津津乐道的话题，大量的有关外星人的科幻电影和小说，把地外文明炒得沸沸扬扬。地球之外是否有生命？是一个严肃的科学问题、哲学问题，一个需要思考和探索的问题。地外文明社会知多少？太阳系的地球是生命的摇篮，在宇宙空间有多少像太阳一样的单个恒星的行星系统？有多少像地球一样，有水，空气和适当的温度的行星？天文学家曾给出多个可能存在的文明社会的数学公式。阿西莫夫公式：N=ABCDEFGHLMN：可能存在的文明社会的数目A：银河系中的恒星数 A310 11个B：拥有行星系统的恒星百分比C：和太阳差不多的恒星百分比D：适合生物生存条件的恒星的百分比E：有类似地球
12、的行星的百分比L：可居住的天体中具有46亿年的历史M：文明社会的寿命计算结果：银河系中拥有文明社会的数目为53万个，平均100万个恒星中不到 2个。4，脉冲星是高速自转的磁中子星421968 年 2 月， 自然论文：脉冲星是一种极为奇异的天体射电源，它在太阳系之外，发射短暂而极有规律的无线电脉冲；它是某种密度非常大的星体，很可能就是中子星。休伊什根据中子星径向振荡理论来解释辐射的脉冲性质却是不正确的。证认发现中子星的两位功臣帕齐尼在 1967 年脉冲星发现前的论文：“在蟹状星云中存在一个由中子组成的恒星，它每秒自转多次，有很强的磁场，它的磁偶极辐射不断地给蟹状星云提供能量” 。1968年托马斯
13、歌尔德（T. Gold）论文和帕齐尼的差不多，但是在脉冲星发现之后做的，对观测特征解释得更清楚一些。脉冲星磁极冠模型综合他们的理论：中子星具有非常强的磁场，在磁极冠区，带电粒子在磁场中运动发出曲率辐射，形成一个方向性很强的辐射锥，就像灯塔发出的两束光一样。辐射锥的中心是磁轴。一般地，磁轴和中子星自转轴不重合，所以当辐射锥和中子星一起转动扫过地球上的射电望远镜时，我们就接收到一个脉冲。成为脉冲星磁极冠模型。5，休伊什获1974年诺贝尔奖休伊什获1974年诺贝尔奖休伊什由于和贝尔一起发现了脉冲星，并把它证认为30多年前物理学家预言的中子星，震惊了科学界，获得了1974年诺贝尔物理学奖的殊荣。休伊什
14、教授获奖是当之无愧的。为乔丝琳贝尔说公道话诺贝尔物理学奖只授予休伊什一人，而完全忽视了贝尔的贡献是不公正的。曼彻斯特和J.泰勒在专著“ 脉冲星” 的第一页写道：献给乔丝琳贝尔博士，没有她有洞察力的、百折不挠的努力，我们现在可能无法分43享到研究脉冲星的这份快乐。在1980年国际天文学会脉冲星会议上贝尔和休伊什同被誉为“ 脉冲星发现者”。6，中子星的形成中学基础知识：原子核，衰变、衰变、天然放射现象、同位素以及核能等。这些知识有助于我们理解中子星形成的机理。中子化过程衰变：一个孤立的中子衰变为一个质子和一个电子及并发射一个反中微子的过程。逆衰变：一个接近光速的电子和一个质子相碰便形成一个中子和一
15、个中微子。101pene一个高能电子打入原子核，和其中的质子相碰，也产生逆衰变反应。核反应后，核子数不变，少了一个质子，多了一个中子，同时发射一个中微子。这个元素变为另一种元素。中子化过程条件密度大于10 6克/厘米 3的情况下，核外电子的能量大，可打进原子核，原子核中的中子数越来越多，质子数越来越少，形成了很多富中子核，这就是中子化过程。 自由中子发射过程衰变是说一个原子核放出由两个质子和两个中子组成的氦核，原子核衰变为另一种元素的过程。这里的自由中子发射过程是放出中子。逆衰变过程使原子核中的中子数越来越多，质子数越来越少，当中子的能量大到一定程度时，就有可能跑出原子核。 条件：密度达到或超
16、过4 x1011克/厘米 3。原子核破裂形成中子流体当密度超过10 14克/ 厘米 3以后，原子核便完全离解，其中的质子和电子相碰变为中子，成为中子的海洋。但是中子星内还存在着很少量的质子和电子。44简并中子气在中子星壳层以下的中子流体是简并的，由于密度奇高，致使中子填满了所有的能量状态，大部分中子处于很高的能态，形成了极其巨大的简并中子气压。与简并电子性质类似，但中子流体的密度已超过10 14克/厘米 3，致使简并中子气所形成的压力远远超过简并电子气，成为可以抗衡引起星体坍缩的引力。中子星的质量上限坍缩后所形成的致密星的质量如果大于2个太阳质量时，中子气简并压力也无法抗衡引力，星体便只能一直收缩下去，形成黑洞。 极端物理条件实验室超高
