宇宙中的燈塔——脈沖星（1） | 天問專欄
?左圖，X-射線觀測(cè)到的蟹狀星云，它是超新星爆發(fā)留下的遺跡，遺跡中心發(fā)現(xiàn)了一顆脈沖星，圖片來源：NASA；右圖：中國(guó)古人在《宋史志》中對(duì)這次超新星爆發(fā)事件有詳細(xì)記載。
編者按：
脈沖星是怎么被發(fā)現(xiàn)的？它（們）是中子星嗎？產(chǎn)生脈沖的機(jī)制又是什么？
天問專欄第二十期，帶你領(lǐng)略宇宙中的燈塔——脈沖星的風(fēng)采。
撰文 | 李柯伽（北京大學(xué)）
責(zé)編 | 呂浩然
天問專欄
· 他們腳踏幾千米高原，只為多仰望星空一眼（附一至十期文章）
· 有人要挑戰(zhàn)暗物質(zhì)理論，并邁開了“萬里長(zhǎng)征”的第一步
· 科學(xué)家錯(cuò)了怎么辦：有人承認(rèn)自己搞砸了，也有人拒絕這么做
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1967年，Jocelyn Bell還是劍橋大學(xué)的一名博士生。她從導(dǎo)師Antony Hewish那里領(lǐng)取了一套包含鉗子、斷線鉗、螺絲刀等的工具包后，就把大量的時(shí)間花在了建造Mullard天文臺(tái)的行星際閃爍陣列上（圖1）。
射電天文學(xué)家自己建造觀測(cè)儀器是一個(gè)傳統(tǒng)。最早大約是來源于卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的Martin Ryle等人。這個(gè)傳統(tǒng)后來或多或少被傳承了下來。在行星閃爍陣列建成以后，這個(gè)儀器開始大量地獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)還不發(fā)達(dá)的上世紀(jì)六十年代，Bell每晚都要分析將近30米的記錄紙帶。
?圖1：Bell和Hewish站在他們建造的行星際閃爍陣列前[1]。
那年秋天，Bell注意到：每天同一恒星時(shí)，這個(gè)陣列都會(huì)從天上的同一個(gè)位置接收到一些看似像干擾的無線電信號(hào)。如果這個(gè)信號(hào)是地面上的無線電干擾，那么干擾發(fā)生的時(shí)間需要正好補(bǔ)償?shù)厍驀@太陽的公轉(zhuǎn)效應(yīng)。這也太離奇了！要是假設(shè)這個(gè)信號(hào)不來自于地球，而是來源于遠(yuǎn)方的天體，那么整個(gè)事情似乎要更合理一些。
到了11月份的時(shí)候，Bell和整個(gè)團(tuán)隊(duì)終于開始了系統(tǒng)地探索這個(gè)奇怪的信號(hào)。為了看清楚信號(hào)的細(xì)節(jié)，他們找來了高速紙帶記錄儀（圖2）。這一下更令人吃驚：這些信號(hào)是間隔1.33秒的、非常有規(guī)律的脈沖信號(hào)。Hewish決定在搞清楚大致情況之前先暫時(shí)保守這個(gè)秘密。
?圖2上：脈沖星在1967年8月被發(fā)現(xiàn)時(shí)候的記錄紙帶；下：11月份高速記錄儀看到的周期性脈沖信號(hào)[2]。
如果這個(gè)脈沖信號(hào)是來源于太陽系之外的，那么由于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡相對(duì)信號(hào)源的速度就會(huì)以一年為周期而變化。脈沖信號(hào)的周期由于多普勒效應(yīng)（編者注：觀測(cè)到的頻率隨波源與觀測(cè)者之間的相互運(yùn)動(dòng)而變化，如行駛中的火車所發(fā)出的鳴笛聲的頻率在地面觀測(cè)者聽來是不斷變化的）也將有相應(yīng)的改變。
經(jīng)過幾個(gè)月的數(shù)據(jù)積累，他們發(fā)現(xiàn)，信號(hào)周期在小數(shù)點(diǎn)后第7位上發(fā)生了改變，并且測(cè)量到的改變量與地球圍繞太陽運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)之預(yù)言完全一致。信號(hào)的來源至此確定為太陽系之外！
那么，這個(gè)奇特的無線電脈沖信號(hào)源，究竟是在銀河系內(nèi)還是在更遠(yuǎn)的地方呢？
我們都知道，當(dāng)白色的光穿過玻璃棱鏡的時(shí)候，就會(huì)被分解成不同顏色的光（色散效應(yīng)）。這個(gè)效應(yīng)起源于不同頻率的光和玻璃（介質(zhì)）中電子的相互作用。由于這種作用，不同頻率的光在介質(zhì)中的傳播速度是不一樣的。
類似地，銀河系里也充滿了大量自由的電子，無線電波在這些“星際介質(zhì)”中傳播時(shí)，也會(huì)發(fā)生色散，而不同頻率的無線電脈沖信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)間也會(huì)有差異。理論上，脈沖到達(dá)地球的時(shí)間差正比于電磁波信號(hào)在傳播途中遇上的電子數(shù)量[3]。
?圖3：白光穿過棱鏡被分成不同頻率的光[4]。
上世紀(jì)六十年代，人們對(duì)銀河系中的電子密度已經(jīng)有了大概的了解。Hewish和Bell測(cè)量了不同頻率的脈沖到達(dá)地球的時(shí)間差，然后再結(jié)合銀河系電子密度的信息即能推測(cè)出新發(fā)現(xiàn)天體的距離。
最后的結(jié)論是這個(gè)脈沖源位于銀河系內(nèi)[5]。Hewish和Bell還能進(jìn)一步修正了色散的影響。通過調(diào)整不同頻率的脈沖信號(hào)延遲，讓這些脈沖對(duì)齊以后，脈沖比之前看到的還要窄一些：寬度大約為16毫秒。而光在這個(gè)短短的時(shí)間里只能傳播4800公里。
這個(gè)結(jié)果也表明，這個(gè)未知星體必定不會(huì)太大。如若不然，來源于星體前方和后方的脈沖到達(dá)地球時(shí)間就會(huì)不一樣，從而加寬觀測(cè)到的脈沖信號(hào)。由脈沖寬度得知，這種星體的大小必須小于4800公里。至此，Hewish和Bell找到了一種發(fā)射無線電脈沖的、周期非常準(zhǔn)確的、在銀河系內(nèi)且非常小的天體。
他們給這種天體取了個(gè)名字——脈沖星。脈沖星的英文單詞是pulsar，是pulse（脈沖）和star（星星）的單詞組合。然而最初脈沖星曾用LGM來標(biāo)記，因?yàn)锽ell和Hewish很難抗拒拿little greenman（即“小綠人”，外星人的戲稱）作為名字開一個(gè)玩笑。但是這種天體的本質(zhì)，Hewish和Bell卻未能確定。
這么小的天體有四種可能：行星、白矮星、中子星和黑洞。然而信號(hào)中異常穩(wěn)定的1.3秒脈沖周期只能和星體自轉(zhuǎn)聯(lián)系起來；行星無法旋轉(zhuǎn)那么快，否則星體自身的引力無法提供足夠的向心力，從而導(dǎo)致星體瓦解；黑洞沒有固體表面，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的1.3秒脈沖周期，基本也能夠被排除在清單之外；而1982年發(fā)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)得更快的毫秒脈沖星[6]則徹底排除了白矮星的可能性。唯一剩下的可能對(duì)象是“中子星”。
中子星的概念在發(fā)現(xiàn)脈沖星的時(shí)候已經(jīng)靜靜地躺在文獻(xiàn)的長(zhǎng)河中超過了30年。Baade和Zwicky在上世紀(jì)三十年代的時(shí)候?yàn)槌滦堑钠鹪搭^痛不已。Zwicky認(rèn)為新發(fā)現(xiàn)的中子可能是他們模型中缺少的一環(huán)。Baade和Zwicky猜測(cè)到，晚年的恒星用完了能源，發(fā)出的光越來越弱，星體內(nèi)的物質(zhì)缺少了來源于光的壓力，無法對(duì)抗自身強(qiáng)大的萬有引力。此時(shí)恒星開始向內(nèi)塌縮，中心則越來越密而轉(zhuǎn)化為中子物質(zhì)，進(jìn)而釋放能量來驅(qū)動(dòng)超新星。
1934年他們?cè)跁?huì)議上向相關(guān)的研究人員報(bào)告了這個(gè)想法[7]，盡管超新星這個(gè)概念馬上被接受了，但是中子物質(zhì)形成星體的概念以及其它猜測(cè)卻幾乎沒有人相信。
現(xiàn)在看來，Baade和Zwicky的工作極具前瞻性，他們通過現(xiàn)象學(xué)的方法直接跳過復(fù)雜的理論論證而得以直接探討天文現(xiàn)象的起源。在他們的猜測(cè)后又過了四年，Landau嘗試找到恒星發(fā)光的能量來源[8]。他猜測(cè)氫元素可以在高壓下相變?yōu)橹凶游镔|(zhì)，從而釋放足夠的能量來支持恒星發(fā)光。
這個(gè)猜測(cè)后來被證明是錯(cuò)誤的。但是“由中子之間的壓力來抵抗自身的萬有引力，從而形成穩(wěn)定的天體”這個(gè)概念卻被建立起來了。只是在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們并沒有意愿去尋找這種所謂的“中子星”。Oppenheimer和Volkoff在1939年仔細(xì)算出了中子星的大小[9]——也就幾公里到幾十公里，大體和北京市大小相當(dāng)。
傳統(tǒng)的天文學(xué)家沒有尋找這類星體的動(dòng)力。因?yàn)椋凶有翘?，表面積也就很小，給定溫度以后，發(fā)出的光學(xué)輻射也少得可憐。地面的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看來是沒有什么機(jī)會(huì)能夠看到。
不過在現(xiàn)在看來，光學(xué)天文學(xué)家不利用望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)它們是件很遺憾的事情。蟹狀星云中心的天體是一顆光學(xué)可見的脈沖星。按照上世紀(jì)三十年代的猜測(cè)，這個(gè)地方將是非常適合搜尋脈沖星的。而五十年代有人在做目視觀測(cè)的時(shí)候曾經(jīng)報(bào)告過這個(gè)蟹狀星云的光學(xué)脈沖，但遺憾的是，這些現(xiàn)象都被忽略了。
Hewish和Bell的工作第一次證明了這類致密天體的存在。因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)Hewish獲得1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。對(duì)于Bell來說，事情似乎沒有那么公平，她并沒有在獲獎(jiǎng)名單中，盡管她事后對(duì)此保持相當(dāng)?shù)牡驼{(diào)[10]。脈沖星領(lǐng)域相當(dāng)多的研究者為此打抱不平。不過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的官方說法是因?yàn)檫@次獎(jiǎng)勵(lì)是鼓勵(lì)無線電天文發(fā)展，而不僅僅是脈沖星。
我們已經(jīng)討論了脈沖星的可能對(duì)象，并猜測(cè)應(yīng)該是中子星?？墒俏覀兡壳安]有完全的證據(jù)來證明，在脈沖星內(nèi)部極高的壓力下，簡(jiǎn)并（相互排斥的）中子組成的中子星是必然的產(chǎn)物。不僅如此，真實(shí)的情況可能恰恰相反，Witten曾經(jīng)猜測(cè)通過增加奇異夸克組份，能夠形成更加穩(wěn)定的原子核物質(zhì)[11]。
正因?yàn)槿绱?，脈沖星里邊可能是中子，可能是包含奇異夸克的重子物質(zhì)，還可能是某種夸克集團(tuán)[12]。因此，對(duì)脈沖星的觀測(cè)可以用于探索在極高壓強(qiáng)下原子核物質(zhì)的物理規(guī)律。
原子核及重子物質(zhì)相互作用的規(guī)律在物理學(xué)上被稱為強(qiáng)相互作用。這是一種非常基本的物理過程，在整個(gè)物理理論框架中舉足輕重。溫度很高的時(shí)候，強(qiáng)相互作用理論可以通過粒子加速器-對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行探索。但在“低溫”的時(shí)候，強(qiáng)相互作用理論變得非常復(fù)雜，而地面實(shí)驗(yàn)卻沒有太好的數(shù)據(jù)來對(duì)理論進(jìn)行檢驗(yàn)。脈沖星則是目前已知的提供這些核物理信息的理想天體物理實(shí)驗(yàn)室[13]。
但是為什么中子星會(huì)有無線電輻射呢？這個(gè)問題截至今日仍沒有一個(gè)令人滿意的答案。
脈沖星周圍的物理?xiàng)l件和我們?nèi)粘Ｉ罨蛘邔?shí)驗(yàn)室中見到的條件實(shí)在差得太遠(yuǎn)。中子星表面的磁場(chǎng)和引力場(chǎng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球上能達(dá)到的條件。例如地球表面的磁場(chǎng)大約為0.5高斯（磁場(chǎng)強(qiáng)度單位），日常生活中的強(qiáng)磁鐵表面的磁場(chǎng)大約能達(dá)到1萬高斯，而一般脈沖星表面的磁場(chǎng)能夠達(dá)到1012高斯；地球表面的重力加速度為9.8米/秒2，這個(gè)值被稱作1g。方程式賽車的最大加速度大約為5g，實(shí)驗(yàn)室中使用的高速離心機(jī)產(chǎn)生的地面最強(qiáng)的加速度也僅僅為四百萬g，而中子星表面的重力加速度可以達(dá)到約1012g。中子星周圍的物理?xiàng)l件注定和實(shí)驗(yàn)室的“常識(shí)”相去甚遠(yuǎn)。可以想像脈沖星的輻射來源將和我們常見的輻射過程非常不一樣。
從大圖像上來分析，脈沖星的脈沖非常有規(guī)律，于是人們只能把脈沖的形成與星體轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)系起來。脈沖星的脈沖信號(hào)僅僅占到整個(gè)脈沖周期的10%左右，所以輻射應(yīng)當(dāng)是集中在一個(gè)面積很小的方向上。目前人們心目中的經(jīng)驗(yàn)圖像大概如圖4，脈沖星從兩個(gè)磁極流出帶電粒子，然后形成了很細(xì)的輻射束跟隨脈沖星一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輻射束掃過觀測(cè)者的時(shí)候，就能看到脈沖信號(hào)。這個(gè)過程有點(diǎn)類似于海上的燈塔，發(fā)出的光周期性地掠過人們的眼球。
?圖4：脈沖星輻射的想象圖。脈沖星從磁極兩端噴出高速帶電粒子，形成的輻射束跟隨脈沖星一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)輻射束掃過觀測(cè)著的視線的時(shí)候就能觀測(cè)到脈沖信號(hào)。
但是帶電粒子從哪里來呢？現(xiàn)在人們對(duì)帶電粒子的起源有兩個(gè)不一樣的圖像。這兩個(gè)理論都依賴于脈沖星表面強(qiáng)大的磁場(chǎng)。在脈沖星旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，自身磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電場(chǎng)。
一種圖像[14]認(rèn)為：在有強(qiáng)大的電磁場(chǎng)存在的時(shí)候，中子星附近的真空開始變得不穩(wěn)定。來源于銀河系或者中子星本身熱輻射的光子進(jìn)入到這種不穩(wěn)定真空的時(shí)候會(huì)造成擾動(dòng)，并轉(zhuǎn)化為一對(duì)正負(fù)電子。這對(duì)正負(fù)電子在感應(yīng)電場(chǎng)的加速下到達(dá)極高的速度，在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生新的輻射光子，并以此激發(fā)更多的正負(fù)電子對(duì)。這個(gè)過程很像雪崩，一旦觸發(fā)了一點(diǎn)崩塌，就會(huì)一直維持下去。而這些來自真空的正負(fù)電子對(duì)的運(yùn)動(dòng)最終形成了脈沖星輻射。
另一種圖像[15]則認(rèn)為初始真空無法形成，因?yàn)閺?qiáng)電場(chǎng)會(huì)把星體內(nèi)部帶電粒子拉出來，從而形成穩(wěn)定電流。脈沖星輻射則是這個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的。這兩個(gè)圖像都有一些觀測(cè)證據(jù)的支持，目前還不知道哪個(gè)圖像是正確的。至于帶電粒子能否形成我們目前觀測(cè)到的無線電波？以及無線電波的特性是否和觀測(cè)一致？經(jīng)過了40多年的研究，這些問題仍然是懸而未決。
脈沖星自身目前還有很多未解之謎， 一些很基本的問題也尚未解決。 然而它卻是極度特殊和有用的天然實(shí)驗(yàn)室。在高能物理、引力物理、等離子體物理等多個(gè)方面，脈沖星都有獨(dú)特的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的應(yīng)用。而這些事情，且容筆者先賣個(gè)關(guān)子，待下回分解：“宇宙中的燈塔——脈沖星（2）”。
*作者注：感謝研究生郭彥君、胥恒、張春風(fēng)和李洋閱讀本文的初稿，但文責(zé)由作者自負(fù)。
作者簡(jiǎn)介：
· 李柯伽，2003年獲北京大學(xué)天文系學(xué)士學(xué)位，后獲得博士學(xué)位（2009），隨后進(jìn)入馬克思-普朗克射電天文研究所從事博士后研究?，F(xiàn)為北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所研究員。主要研究領(lǐng)域：脈沖星、引力波、快速射電暴、射電天文技術(shù)與方法和統(tǒng)計(jì)信號(hào)探測(cè)理論。
參考文獻(xiàn)：
[1] 圖片來源：http://www.nature.com
[2] 圖片來源：http://www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/section1.html
[3] 尤峻漢. 天體物理中的輻射機(jī)制. 北京 : 科學(xué)出版社, 1983.
[4] 圖片來源:Britannica百科全書。
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[7] Baade, W., and F.Zwicky. "Remarks on Supenovae and Cosmic Rays." Physics Review, 46(1934):76.
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[15] Sturrock, P.A. "A Model of Pulsars." Astrophysical Journal, 164(1971):529.
制版編輯：Livan
