属 于非热辐射 辐 射 区 很 小 ,辐 射 光 度 与 太 阳 的 光 度差不多 ,而辐射能密 度 要 比 太 阳 的 能 密 度 高 出 十 几 个 数 量级 脉冲星的 射 电 辐 射 是 幂 律 谱 和 高 度 线 偏 振 , 少数脉冲星还有光学 、 X 射线和 γ 射 线 的 脉 冲 辐 射 ,而 且 也都是幂律谱 脉冲星的这种非热辐射是由高能 带电 粒子在磁场中作加速运动所产生的 脉冲星的高 能带电粒子是怎样来的 ? 非热辐射又是怎样产生的呢 ?极 强的电场 , 将把带电粒子从星体表面拉出来 , 在脉星 周围形成一 个 磁 层 以 脉 冲 星 PSR 0531 + 21 为其自转角频率 Ω = 200 , 磁场 B = 1012高斯 , 中子星 半R = 104 米 , 计算得到的电磁 力 比 引 力 要 大 109 倍 , 引变得微不足道 图 (1) 为当今流 行 磁 层 模 型 RC 为速 圆柱半径 , + 和 - 代 表 正 负 电 荷 由 于 磁 层 中 的处的磁场及方向不 同 , 各 处 感 应 电 场 的 方 向 和 大 小 都 不一样 磁层中 的 正 负 电 荷 处 在 不 同 的 区 域 , 是脉冲星的磁层和光速圆柱 种 新型的电荷分离等离子体 。
在磁轴和自转轴反平的 情况下 , 磁轴附近是正电荷区 , 磁赤道区附近是负荷区 其分界线是与 磁 轴 的 夹 角 θ等 于 sec - 1 3 的方 ,在该处电荷密度为零 β是辐射区的半张角 磁层范围有多大 ? 磁 层 和 中 子 星 共 转 , 磁 层 中处 的角速度均相同 , 但线速度却有非常大的差别 , 离脉冲星有没有大 气 层 ? 地 球 有 大 气 层 ,太 阳 也 有大气层 ,中子星有没有大气层呢 ? 发现脉冲星以前 ,人 们 曾推测中子星周围没有大气层存在 地球和太阳 表 面的重力加速度分别 是 918 厘 米 Π秒 2 和 270 米 Π秒 2 ,而中子星表面的重力加速度则高达 1012米 Π秒 2 ,比 太 阳 的高 出近 10 个数量级 引力把大气拉向 中 子 星 ,大 气 的 热 运动则使大气分子各处乱跑 如果引力势能远比 热 运 动动能大 ,则大气将被压缩到表面附近的一薄 层 中 如 果引力势能远比热运动动能小 ,则大气将跑光跑 尽 只有当大气的引力 势 能 和 热 运 动 动 能 相 当 时 ,才 有 稳定的大气层存在 我 们不妨亲自计 算 一 下 ,在 离 中 子 星 表 面 高 度 为 h 的地方 , 质量为 m 的大气具有的 引 力 势 能 为 E ( E = hGmMΠR2 , 其 中 G 为 引 力 常 数 , R 是 中 子 星 半 径 取 为104 米 , M 是中子星质量 等 于 一 个 太 阳 质 量 ) 。
热 运 动动能是 Ek ( Ek = 115 kT , k 是 波 兹 曼 常 数 , T 是 中 子 星 表 面的温度 , 取 为 T = 106 K) 当 满 足 E = Ek 的 条 件时才有稳定的大气 层 , 由 这 个 条 件 可 以 求 出 大 气 层 的高 度 h , 对 于 中 性 氢 大 气 , 只 有 1 厘 米 的 高 度 , 对 于 电 子 也只有 10 米 这样看来中子星几 乎 没 有 大 气 层 , 周 围只能处于真空状态 出 人意料的是 , 在 发 现 脉 冲 星 以 后 的 进 一 步 研 究 证 明这种看法是错误的 因为他们没有把引力和电 磁子 星表面越远的地方 , 其线速度越大 , 随距离的增加速 度不断加 大 , 最 后 可 以 达 到 光 速 , 形 成 一 个 光 速(1) 中的 RC 为 光 速 圆 柱 半 径 光 速 圆 柱 半 径 由 自 转周期决定 , 和周期成正比 自转周期越短 , 光速圆柱 半 径 越小 例如 , 脉 冲 星 PSR 0531 + 21 的 周 期 为 33 毫 秒 ,光 速 圆 柱 半 径 约 为 1500 千 米 ,而 毫 秒 脉 冲 星 PSR1937+ 21 的 周 期 是 116 毫 秒 ,光 速 圆 柱 半 径 只 有 80 千 米 。
可 见 脉 冲 星 的 磁 层 只 局 限 在 中 子 星 周 围 不 大 的 空 间 中 事 实上 ,所有自转的星体都有光速圆柱 ,但由于 自 转 很 慢 , 光 速 圆 柱 特 别 大 , 没 有 实 际 意 义 以 太 阳 为 例 ,太阳自转一圈 大 约 要 27 天 ,其 自 转 周 期 比 蟹 状 星云 脉冲星约长了 7 ×107 倍 ,因 此 太 阳 的 光 速 圆 柱 半 径大约是 1 千亿千米 太阳系最外的冥王星离 太 阳 只 有60 万千米 , 太 阳 的 光 速 圆 柱 半 径 远 远 超 出 太 阳 系 之 外 观测到的脉冲星射电 、 光学 、 X 射 线 和 γ 射 线 辐 射 都 是在脉冲星磁层中发生的 脉冲星磁层与辐射 区 部 位 、 粒子加速区 、 辐 射 和 传 播 等 一 系 列 重 要 问 题 有 关 , 成为脉冲星观测和理论研究的关键所在 ① 曲率辐射在 非常强的磁场条件下 ,电子被束缚 只 能沿磁力线运 动 如 果 磁 力 线 是 弯 曲 曲的磁力线运动可 以 获 得 向 心 加 速 度 并 时 产生的 辐 射 称 为 曲 率 辐 射 。
在 脉 冲 星 (见图 1) ,开 放 磁 力 线 是 弯 曲 的 , 磁 场 又曲率辐射在脉冲星辐射中占有重要的地位曲 率辐射的主要 特 性 是 幂 律 谱 和 强和 观测到的辐射 特 性 一 致 辐 射 的 方 向在 带电粒子运动方向上 所以开放磁力线锥角正好就是辐射锥所张的角 曲 率辐射的频率 由 电 子 速 度 和 曲 率脉 冲星加速区出来的能量极高的正电子会波段的辐射 ,能量低 一 些 的 次 级 正 负 电 子电波段的辐射 ② 回旋辐射和同步辐射高 能电子在磁场 中 受 罗 仑 兹 力 的 作 线 作圆周或螺旋轨道运动 ,回旋半径特别很 高 当带电粒 子 运 动 速 度 远 比 光 速 小辐射过程子 的质量为常数 ,回旋频率也是常数 ,这时我 们熟知的辐射是热辐射 在日常生活中所看 见的 煤炭的燃烧 ,电 灯 泡 的 发 光 等 等 都 是 热 辐 射 很 多 恒 星的光也是热 辐 射 ,最 熟 悉 的 就 是 太 阳 光 热 辐 射 的第一个特点是辐射的 波 长 范 围 很 宽 早 在 1672 年 , 牛 顿在英国 剑 桥 大 学 的 一 间 学 生 宿 舍 里 做 了 一 个 实 验 ,他让一束太阳光从窗洞射进来 ,一束白光穿过一 块三 棱镜变成一条美丽的彩色光带 ,就像雨后彩虹一 样 ,呈现出红 、 橙 、 黄 、 绿 、 青 、 蓝 、 紫等各种颜色 。
这个 实 验 说明白色的太阳光实际上是由几种不同颜色的光混合 而 成的 ,波长范围 非 常 宽 热 辐 射 的 第 二 个 特 点 是 这 种 连续谱的分布有一个明显的峰值 ,比峰值波长长 的 , 辐 射随波长的减少而增加 ,但是比峰值波长短的 ,辐 射 随 波长的减少而迅速减小 第三个特点是热辐射的 峰 值波长随温度的增 加 而 变 短 ,辐 射 强 度 随 温 度 升 高 而迅 速增强 热辐射 除 发 射 可 见 光 外 ,还 发 射 许 多 种 肉眼 看不见的射线 ,如比可见光波长长的红外线 、 无线 电 波 ,比可见光波长短的紫 外 线 、 X 射 线 、 γ 射 线 等 等 X 射 线 脉 冲 双 星 辐 射 区 的 温 度 高 达 1 亿 K ,峰 值 波 段 就 短 到了 X 射 线 波 段 ,而 太 阳 光 球 的 温 度 只 有 6000 K ,峰 值波段就在可见光波段 回 旋辐射 ,其辐射的单色性强 ,方向性弱和质 中子星的 X 射 线 线 状 发 射 可 能 是 回产生的 当 带电粒子运动 速 度 接 近 光 速的 情质 量随速度的增加而增加 ,回旋频率和质此回旋频率随速度 增 加 而 迅 速 降 低 ,这 时同 步辐射 。
同步辐 射 远 比 回 旋 辐 射 强 ,具向 性 ,辐射集中在 电 子 运 动 的 方 向 上 ,辐和 曲率辐射相比 ,相同的电子速度 ,其辐射多 同 步 辐 射 常 被 用 来 解 释 脉 冲 星 的 光γ 射线波段的高频辐射 ③ 康普顿辐射高能电子和低频光子的碰撞过程称之散 射 碰撞结果 是 电 子 把 它 的 部 分 动 能使 低频光子的能量增加而成为高能光子 公式是 E = hν , 也 就 是 光 子 能 量 等 于 普 朗率 的乘积 , 光 子 的 能 量 增 加 了 , 也 就 是 辐了 , 这相当于产生了高频波段的辐射 , 称之射 其特点是幂律谱 、 强偏振和强方向性范围很宽 逆 康 普 顿 散 射 是 产 生 高 频 光数 字 1 至 7 是表示 由 高 能 γ 光 子 产 生 正 负 电 子 对 ,负电子对又产生高能 γ 光子的级联过程 的 分量总是 等 于 零 , 因 此 带 电 粒 子 不 可 能 得 到 加 速 不 过 ,在脉冲星上有两个特殊地方 ,那里的电场在磁 力 线 方向的分量不等于零 :一个在中子星磁极冠表面 处 , 称为 “内间隙加速 区 ”; 另 一 个 在 电 荷 密 度 为 零 的 锥 面附 近 ,称为 “外间隙加速 区 ”。
在加速区中 ,强大的 电 场力将把带电粒子加速到接近光速而变为相对论性带电 粒子 在 “间隙 ”中 的 电 荷 密 度 等 于 零 , 处 于 真 空 状 态 间隙加速区具有极 强 的 加 速 带 电 粒 子 的 能 力 ,可 是 没 有 带 电 粒 子 , 有 什 么 用 呢 ? 这 一 点 我 们 不 用 犯 愁 , 原来 ,在银河系中处 处 都 有 高 能 γ 射 线 光 子 存 在 ,在 “间隙 加速区 ”中当 然 也 有 高 能 γ 射 线 光 子 我 国 老 一 辈 科 学家赵忠尧教授发现高能 γ 射线光子通过原子核 或 磁场的媒介作用可以直接转化为一个电子和一个负电 子 ,所以真空的 “间 隙 ”中 的 γ 射 线 光 子 可 以 变 成 许 许多 多的正电子和负电子 在脉冲星极冠区有极其强 大的 磁场 ,被束缚在磁力线上的正负电子 ,只能沿磁力 线 运 动 正负电子 在 间 隙 中 的 电 势 作 用 下 加 速 ,正 电 子雪崩放电过程产生大量的能量非常高的正电子为初级正电子 ,它们 可 以 变 为 更 多 的 能 量 低 一 些 的负 电子 ,称之为 次 级 正 负 电 子 对 。
我 们 观 测 到 的 射脉冲辐射就是次级正负电子沿弯曲开放磁力线运行所发出的曲率辐射 这 些高能电子在 磁 层 中 辐 射 消 耗 了 一 部 分 能 但剩余的能量仍然 很 大 ,离 开 磁 层 后 还 要 继 续 向 前 动 如果脉冲星是在超新星遗迹星云中 ,那么 ,这些 能 电子就进入星云 ,成为星云发出非热辐射的源泉 ,持蟹状星云辐射的高能电子就是来源于它的脉冲星灯 塔 模 型脉冲星辐射的灯塔模型是理论和观测相结合的究 成果 概括起来 可 以 作 如 下 的 表 述 : 脉 冲 星 具 有强 偶极磁场 ,有两个遥遥相对的磁极 ,磁极附近的磁线 是开放的 ,形成两个锥形的辐射区 ;在磁极冠的表附近存在一个带电 粒 子 加 速 区 ,可 以 源 源 不 断 地 产高能电子 ;极强的 磁 场 使 得 高 能 带 电 粒 子 只 能 沿 开磁 力线向外运动并产生曲率辐射 ;脉冲星的自转 ,使这 两个辐射锥绕。