科學(xué)家剛剛發(fā)現(xiàn)的“白矮脈沖星”究竟是什么星？
熾熱發(fā)白的白矮星（圖片來源：https://www.spaceanswers.com/deep-space/five-amazing-facts-about-white-dwarfs/）
對(duì)于很多讀者尤其是喜歡天文的讀者而言，“脈沖星”與“白矮星”都是比較熟悉的概念。脈沖星與白矮星都是恒星死亡后的產(chǎn)物，都具有非常高的密度。那么，科學(xué)家近期發(fā)現(xiàn)的“白矮脈沖星”又是什么？它們本質(zhì)上是白矮星還是脈沖星？它們是怎么產(chǎn)生的？
這是賽先生2017科普創(chuàng)作協(xié)同行動(dòng)的第4篇文章。
撰文：王善欽（加州大學(xué)伯克利分校天文系）
審校：張雙南（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所）
高溫而黯淡的白矮星
白矮星為什么被稱為“白矮星”？因?yàn)樗鼈冇职子职?。它們溫度高，因此顏色是白的；它們亮度很低，因此被稱為“矮星”。星體溫度越高，亮度越大；星體表面積越大，亮度也越大。白矮星的溫度很高，那么它們理應(yīng)很亮，但事實(shí)上它們很暗。這又是為什么呢？這是因?yàn)椋?strong>它們的表面積太小了。
因?yàn)楸砻娣e小，所以半徑也就小，體積也就小，它們的體積與地球差不多。既然如此，它們應(yīng)該很輕了吧？并不是。它們其實(shí)很重，大約有一個(gè)太陽那么重，因此有幾百萬個(gè)地球那么重。由于它們的體積和地球差不多，所以白矮星的密度是地球密度的幾百萬倍，只要一根小指頭那么大，就有上萬斤。
白矮星是怎么來的？從與太陽差不多大的那些恒星，到質(zhì)量低于8個(gè)太陽的恒星，它們?cè)跓晷求w中心可以燃燒的氫之后，就會(huì)點(diǎn)燃核心的氦，在中心燒出碳和氧，最后，它們的中心收縮為一顆碳和氧為主的白矮星。還有一些質(zhì)量很低的恒星，中心燒出氦之后，因?yàn)闇囟炔粔蚋撸瑹o法燒出碳和氧，它們就形成了氦為主的白矮星。
宇宙中一些碳氧白矮星就是一顆顆巨大的鉆石。我們的太陽在幾十億年以后就會(huì)在中心形成一顆碳氧白矮星。這些巨大的鉆石有地球那么大，但有太陽那么重。當(dāng)然，氦白矮星沒有這份“榮耀”，因?yàn)殂@石的化學(xué)成分是碳。
圖1. 碳氧白矮星（右）與地球（左）差不多大小，就像一個(gè)巨大的鉆石。（圖片來源：Youtube視頻Giant Planet Sized Diamond Found Floating in Space截圖）
第一顆白矮星于1910年被Russell、Pickering與Fleming通過光譜分析正式確認(rèn)。天文學(xué)史上最著名的白矮星是天狼星A的伴星——天狼星B，圖2為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝出的天狼星A與B的圖像。
圖2. 天狼星A與B的圖像，箭頭所指為白矮星——天狼星B（圖片來源：NASA/ESA）
白矮星的質(zhì)量不可以無限大，絕大多數(shù)白矮星的質(zhì)量不會(huì)超過1.4太陽質(zhì)量，除非有快速的旋轉(zhuǎn)或者強(qiáng)烈的磁場(chǎng)。這個(gè)質(zhì)量最大值被稱為“錢德拉錫卡極限”，因?yàn)殄X德拉錫卡首先計(jì)算出大概的數(shù)值。兩顆與太陽差不多質(zhì)量的白矮星撞擊，或者一顆白矮星吸取了過量的物質(zhì)，都會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量超過這個(gè)極限，進(jìn)而導(dǎo)致猛烈的核聚變爆炸（熱核爆炸），形成熱核爆炸超新星，其光譜型被稱為“Ia型”，所以也被稱為Ia型超新星，公元1006年被觀測(cè)到的著名超新星就是這么爆炸而來的。
中子星與脈沖星
1932年，Chadwick在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子。不久后，Landau提出，宇宙中有一種星體幾乎完全由中子組成，這就是中子星。1934年，Baade與Zwicky提出，超新星爆發(fā)后會(huì)留下中子星。
要想讓星體成為中子星，就要求組成星體的原子中的電子必須被壓入原子核中，與原子核中的質(zhì)子結(jié)合為中子，這樣，整個(gè)星體就幾乎全是中子。當(dāng)星體被壓縮到這種程度時(shí)，它的密度就可以與原子核密度相提并論。一個(gè)太陽那么大的星體，如果被壓縮為一個(gè)中子星，它的半徑就只有大約10公里。那么它的密度不僅比普通物質(zhì)高得多，也比白矮星的密度高得多。
在中子星的概念被提出之后的40多年間，大多數(shù)天文學(xué)家不相信宇宙中有中子星，這期間，最重要的理論工作就是：奧本海默（原子彈之父）與合作者研究了中子星的性質(zhì)，斷定中子星有一個(gè)最大質(zhì)量，這個(gè)最大質(zhì)量被稱為“奧本海默極限”。后來的學(xué)者修正了這個(gè)研究結(jié)果，斷定這個(gè)極限質(zhì)量大約是2到3個(gè)太陽質(zhì)量。
1967年11月28日，Hewish的研究生Bell在監(jiān)測(cè)Hewish與Ryle建立的射電望遠(yuǎn)鏡陣列接受的輻射信號(hào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)周期性變化的信號(hào)，就像脈搏跳動(dòng)一樣，周期為1.33秒。
盡管二人一開始開玩笑地認(rèn)為這是傳說中的“外星人（小綠人，little green men，LGM）”發(fā)出的信號(hào)，但在1968年的一期《自然》（Nature）雜志發(fā)表的論文中，他們依然嚴(yán)肅地猜測(cè)這可能是白矮星或者中子星的閃爍輻射。同年，Gold在下一期的《自然》雜志用中子星的“燈塔模型”解釋了這個(gè)信號(hào)，這個(gè)源也被命名為“脈沖星”。因此，這是第一顆被發(fā)現(xiàn)的脈沖星，也自然是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的中子星。
圖3. Bell記錄下的第一個(gè)射電脈沖信號(hào)，橫坐標(biāo)跨度為20秒，脈沖信號(hào)（凹陷處）周期為1.33秒（圖片來源：Mullard Radio Astronomy Observatory）
什么是“燈塔模型”？在理解這個(gè)模型前，先從我們?cè)诔踔袝r(shí)就知道的一個(gè)事實(shí)談起：地球的自轉(zhuǎn)軸（地理的南北極所在的軸線）與地球的磁軸（磁場(chǎng)南北極所在的軸線）不重合，有一個(gè)磁偏角。
中子星也類似，也有磁偏角，這導(dǎo)致其磁軸不斷移動(dòng)（圖4），使得輻射并不對(duì)準(zhǔn)一個(gè)方向而是沿著磁極方向發(fā)出的，地球上的觀測(cè)者每隔一個(gè)時(shí)期接受到這個(gè)中子星的輻射，因?yàn)槭侵芷谛缘厥盏捷椛洌虼藢⑵涿麨椤懊}沖星”。這就如海島上的燈塔中的燈在旋轉(zhuǎn)，海面上的船只會(huì)周期性地接收到燈塔發(fā)出的光。因此，這個(gè)模型被稱為“燈塔模型”。
圖4. 中子星的燈塔模型可以解釋脈沖星（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar）
從此人們就認(rèn)定宇宙中存在中子星。今年恰好是中子星被發(fā)現(xiàn)50周年。1974年，Hewish與Ryle分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，Hewish的獲獎(jiǎng)理由是“在發(fā)現(xiàn)脈沖星時(shí)的決定性作用”。（注1）
簡(jiǎn)單說，脈沖星就是快速轉(zhuǎn)動(dòng)的中子星。它們的磁場(chǎng)非常強(qiáng)，因此會(huì)沿著磁軸方向發(fā)出大量輻射，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)變慢。在這個(gè)過程中，將自轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化為輻射。如果它們的輻射周期性地掃過地球，因而被地球上的望遠(yuǎn)鏡或者地球上空的衛(wèi)星觀測(cè)到，它們就被人類稱為“脈沖星”。
因此，“脈沖星”這個(gè)叫法本身并不能體現(xiàn)出這些天體的本質(zhì)，它們本質(zhì)上其實(shí)是中子星。（注2）如果有些中子星的輻射始終沒有朝向地球，但通過其他方式被人類發(fā)現(xiàn)，那就只能被稱為“中子星”，而不能被稱為“脈沖星”。
質(zhì)量是太陽8倍以上的恒星，有一大部分最后會(huì)爆炸為超新星，這樣的超新星，大多數(shù)會(huì)留下中子星。例如，公元1054年被觀測(cè)到的超新星，爆炸后就在中心留下了中子星，它發(fā)出的輻射照亮了它的遺跡（蟹狀星云），如圖5。由于中子星自身極小，因此在圖中無法被看到。
圖5. 蟹狀星云中心的中子星的輻射照亮了蟹狀星云（圖片來源：NASA/ESA）
白矮脈沖星：白矮星中的戰(zhàn)斗機(jī)
在我們理解了中子星與脈沖星的關(guān)系之后，我們就可以看看白矮星與白矮脈沖星的關(guān)系了。
當(dāng)白矮星也有強(qiáng)大磁場(chǎng)，且也有磁偏角時(shí)，它發(fā)出輻射的行為，也會(huì)像（中子）脈沖星一樣?？梢姡装}沖星就是“輻射行為像（中子）脈沖星的白矮星”。此前人類發(fā)現(xiàn)了大量白矮星，但沒有一顆具有這樣的行為，因此都被認(rèn)定為普通的白矮星。
現(xiàn)在，人們首次發(fā)現(xiàn)了白矮脈沖星，它們就如同白矮星中的戰(zhàn)斗機(jī)。因此，從現(xiàn)在開始，我們可以將脈沖星細(xì)分為“中子脈沖星”與“白矮脈沖星”，前者就是我們熟悉的“脈沖星”。不過，現(xiàn)在沒有如此嚴(yán)格區(qū)分命名，這是因?yàn)椤爸凶用}沖星”在過去50年中已經(jīng)被大量發(fā)現(xiàn)，而“白矮脈沖星”只是首次被發(fā)現(xiàn)。
如果從一開始發(fā)現(xiàn)的“白矮脈沖星”就和“中子脈沖星”一樣多，那么這兩個(gè)概念就是平等的概念，“脈沖星”這個(gè)稱呼也不會(huì)被“中子脈沖星”所獨(dú)占了。
就如我們平時(shí)一說愛因斯坦，指的是阿爾伯特·愛因斯坦，而提到他的大兒子漢斯·愛因斯坦時(shí)，必然要稱呼完整的姓名。如果父子倆一樣有名，我們還真的要區(qū)分“阿爾伯特·愛因斯坦”和“漢斯·愛因斯坦”，至少也得是“老愛因斯坦”與“小愛因斯坦”。
第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的白矮脈沖星
白矮星在一百多年前就已被發(fā)現(xiàn)，但“白矮脈沖星”卻直到去年才被發(fā)現(xiàn)。今年1月23日，發(fā)現(xiàn)“白矮脈沖星”的相關(guān)的研究論文正式在《自然·天文》（Nature Astronomy）出版，作者分別是Buckley（南非天文臺(tái)），Meintjes（南非自由州大學(xué)物理系），Potter（南非天文臺(tái)），Marsh（英國(guó)華威大學(xué)物理學(xué)）與G?nsicke（英國(guó)華威大學(xué)物理學(xué)）。我們來看看這個(gè)“白矮脈沖星”是怎么被發(fā)現(xiàn)的，有什么特點(diǎn)。
首先，在天蝎座方向、距離地球380光年的地方有一個(gè)變星，它被命名為“AR Scorpii”，簡(jiǎn)稱為“AR Sco”。這個(gè)變星的亮度變化的周期是1.97分鐘，約等于2分鐘。每隔2分鐘，這個(gè)變星從紫外到射電的各個(gè)波段都出現(xiàn)一次變化。
其次，Buckley等人仔細(xì)研究了AR Sco的亮度變化行為，斷定它由兩個(gè)天體組成，即，這是一個(gè)雙星系統(tǒng)，這個(gè)雙星系統(tǒng)的兩顆星的距離為140萬公里，是地球-月亮平均距離（約38萬公里）的近4倍，不到地球與太陽距離的百分之一。由于星體距離非常近，這顆雙星系統(tǒng)圍繞共同中心公轉(zhuǎn)的周期大約是3個(gè)半小時(shí)。
然后，Buckley等人推斷出，這個(gè)雙星系統(tǒng)中的一個(gè)星體是一個(gè)“紅矮星”，質(zhì)量是太陽的0.3倍。正是這顆紅矮星的亮度變化，導(dǎo)致AR Sco的亮度變化。
那么，是什么導(dǎo)致這個(gè)紅矮星的亮度出現(xiàn)這樣的變化呢？Buckley等人推斷出，這個(gè)雙星系統(tǒng)的另一顆星體是一顆“白矮脈沖星”（好了，終于到重點(diǎn)了?。?，這顆白矮星的質(zhì)量是太陽的0.8倍，是伴星質(zhì)量的近3倍。這顆白矮星的自轉(zhuǎn)周期是2分鐘。
Buckley等人認(rèn)為，這個(gè)白矮脈沖星（白矮星）的轉(zhuǎn)動(dòng)周期在增加（轉(zhuǎn)動(dòng)速度在減?。?，每隔10萬年轉(zhuǎn)動(dòng)周期增加1秒多。這導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)能減少。由于能量守恒，損失的轉(zhuǎn)動(dòng)能必須有一個(gè)去處，這個(gè)去處就是變?yōu)閺?qiáng)烈的輻射。
這顆白矮星輻射的亮度約為太陽亮度的0.4倍，但卻是其伴星（紅矮星）亮度的十幾倍。由于存在磁偏角，所以輻射方向周期性變化，每隔2分鐘掃中紅矮星一次，導(dǎo)致紅矮星急劇變亮，輻射離開后，紅矮星亮度降低。以兩分鐘為周期，不斷變亮變暗。
圖6. 白矮星的輻射周期性地掃過伴星（紅矮星）（圖片來源：華威大學(xué)（University of Warwick））
因此，Buckley等人是通過紅矮星亮度的周期性變化，間接確定出有這么一個(gè)白矮脈沖星（白矮星），而不是直接接收到它的輻射。這與50年前Bell發(fā)現(xiàn)“（中子）脈沖星”的情況是不一樣的，上面說過，“（中子）脈沖星”的射電輻射是被射電望遠(yuǎn)鏡直接接收到的。
白矮星與一個(gè)氣態(tài)的恒星組成雙星系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)從氣態(tài)伴星那里竊?。ā拔e”）物質(zhì)。作者們根據(jù)光譜特征和X射線亮度，推斷出，這個(gè)白矮星沒有或者幾乎沒有這種竊取行為，它反過來將自己發(fā)出的輻射送給了伴星。
總結(jié)
白矮脈沖星本質(zhì)就是一個(gè)白矮星。由于轉(zhuǎn)動(dòng)變慢，它將其轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為輻射。由于存在磁偏角，所以它的輻射周期性掃中它的伴星，導(dǎo)致伴星亮度出現(xiàn)周期性的強(qiáng)烈變化。
我們甚至可以很合理地推測(cè)，之前發(fā)現(xiàn)的大量白矮星中，有一部分的性質(zhì)與這次發(fā)現(xiàn)的星體性質(zhì)很類似，只不過它們的輻射沒有掃中合適的伴星并使后者出現(xiàn)劇烈變化，因此無法確認(rèn)出它們“類似于脈沖星”的性質(zhì)。
而這次，Buckley等人很幸運(yùn)地通過一個(gè)雙星系統(tǒng)構(gòu)成的變星，發(fā)現(xiàn)了這樣一顆奇特的星體，它像人們熟悉的“（中子）脈沖星”一樣發(fā)出輻射，因此被命名為“白矮脈沖星”。但正如“（中子）脈沖星”本質(zhì)上是中子星一樣，“白矮脈沖星”本質(zhì)上就是白矮星，并不特別神秘。有時(shí)候，（中子）脈沖星會(huì)與白矮星形成雙星系統(tǒng)，圖7為此類系統(tǒng)的藝術(shù)想象圖。左邊體積較小的是（中子）脈沖星會(huì)，右邊體積較大的是白矮星。要注意，二者的比例并沒有按照真實(shí)比例畫出，因?yàn)橹凶有堑陌霃骄?0公里，而白矮星的半徑有幾千公里，如果照著比例精確畫出，二者的大小差距將大得多。
圖7. （中子）脈沖星與普通白矮星組成的雙星系統(tǒng)個(gè)藝術(shù)想象圖（圖片來源：B. Saxton（NRAO/AUI/NSF））
相關(guān)閱讀：
新發(fā)現(xiàn)“白矮脈沖星”的相關(guān)論文鏈接：http://www.nature.com/articles/s41550-016-0029
注釋：
1. 很多人為 Bell（她于1969年嫁給Burnell，因此后來被稱為Burnell夫人）沒有獲獎(jiǎng)而鳴不平，甚至認(rèn)為Hewish獲獎(jiǎng)是一個(gè)丑聞，竊取了學(xué)生的成果。其實(shí)，Bell沒有獲獎(jiǎng)固然是一個(gè)很大的遺憾，但Hewish獲獎(jiǎng)是當(dāng)之無愧的。這是因?yàn)樵诎l(fā)現(xiàn)脈沖星的過程中，最關(guān)鍵的是Hewish和Ryle一起建立的射電望遠(yuǎn)鏡陣（Bell協(xié)助建立），沒有這個(gè)陣列，當(dāng)時(shí)就無法發(fā)現(xiàn)脈沖星信號(hào)。引力波于2015年被發(fā)現(xiàn)之后，頻繁獲獎(jiǎng)的是為引力波探測(cè)器做出決定性貢獻(xiàn)的三位領(lǐng)袖科學(xué)家，而不是記錄下引力波信號(hào)的人員，也是類似的原因。不過，Bell的作用顯然要遠(yuǎn)超過記錄引力波信號(hào)的工作人員，這個(gè)類比自然未必很恰當(dāng)，但原理是類似的。Bell本人對(duì)自己沒有獲獎(jiǎng)沒有公開發(fā)表批評(píng)，當(dāng)時(shí)也表示了支持諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的決定。但是在很久以后接受采訪的時(shí)候，她曾經(jīng)表示過，“我懷疑這與我的女性身份有關(guān)，但看上去更像是與我的學(xué)生身份相關(guān)”，她也認(rèn)為當(dāng)時(shí)的諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)甚至不知道有她的存在。“也許世界本不公平，但重要的是，你如何看待并應(yīng)對(duì)世界的不公?！贝撕蟮膸资觊g，她不斷被問起錯(cuò)失諾貝爾獎(jiǎng)對(duì)她造成的影響，然而她本人卻并不愿意卷入爭(zhēng)議之中。
2. 也有學(xué)者認(rèn)為脈沖星其實(shí)是夸克星，或者中子、夸克混合星/混雜星，這里為了簡(jiǎn)單起見，只采用中子星的說法。
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