脈沖星就是中子星課件

現(xiàn)代天文學(xué)

（諾貝爾獎天文學(xué)獎項回顧）講授提綱

現(xiàn)代天文學(xué)1第六章射電脈沖星與中子星1，中子的發(fā)現(xiàn)和中子星的預(yù)言2，貝爾和休伊什發(fā)現(xiàn)脈沖星3，“小綠人”和地外文明4，脈沖星就是中子星5，中子星形成理論6，休伊什獲1974年諾貝爾獎第六章射電脈沖星與中子星21，中子的發(fā)現(xiàn)和中子星的預(yù)言1，中子的發(fā)現(xiàn)和3中子的發(fā)現(xiàn)直到1930年，物理學(xué)家還不知道原子核中有中子存在。中子發(fā)現(xiàn)的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原子物理學(xué)的范圍，向天體物理學(xué)提出挑戰(zhàn)：在宇宙中有沒有“完全由中子組成的恒星？”中子的發(fā)現(xiàn)4中子星的預(yù)言：

1932年，發(fā)現(xiàn)中子后就預(yù)言中子星的存在；1939年,提出中子星的結(jié)構(gòu)1934年，提出超新星爆發(fā)可以產(chǎn)生中子星1967年，指出蟹狀星云中有一顆自轉(zhuǎn)的磁中子星中子星的預(yù)言：5中子星的光度特別小

光度是和恒星的表面積成正比，天狼星伴星的表面積比天狼星小1萬倍，半徑約為7000千米。中子星的半徑10千米，光度小多少？答案是幾十億倍。中子星的光度特別小6中子星在哪里呢？

天文學(xué)家處于一問三不知的窘境，一是不知道中子星的輻射主要在射電波段；二是不知道中子星的輻射是脈沖形式；三是不知道中子星自轉(zhuǎn)得是如此之快。這不是天文學(xué)家的過錯，天文學(xué)研究的魅力所在，就是它常常出人意料。中子星在哪里呢？7蟹狀星云能源之謎

蟹狀星云：射電、光學(xué)、X和γ射線輻射。把蟹狀星云所有頻率上的輻射加起來，相當(dāng)于十萬個太陽的輻射。一團稀薄的氣體，其能量來自何方？

蟹狀星云能源之謎8光學(xué)觀測發(fā)現(xiàn)蟹狀星云在膨脹，每年大約0.2角秒左右，而且膨脹速度在加快。星云膨脹加速度的能量由誰來提供？同步輻射：高能帶電粒子＋磁場，高能電子來自何方？磁場是怎樣形成的？光學(xué)觀測發(fā)現(xiàn)蟹狀星云在膨脹，9帕齊尼預(yù)言（1967年發(fā)現(xiàn)脈沖星之前）

蟹狀星云中的一顆中子星，每秒自轉(zhuǎn)多次，具有很強的磁場，提供蟹狀星云所需的能量。帕齊尼預(yù)言10休伊什觀測蟹狀星云1965年他用行星際閃爍方法測出了蟹狀星云中存在一個致密成分，其角徑只有約0.2角秒，亮溫度達(dá)到1014K。當(dāng)時他就指出這個致密成分可能是1054年超新星爆發(fā)的遺留物?？上?，他并沒有認(rèn)識到這個致密源就是中子星。休伊什觀測蟹狀星云112，貝爾和休伊什發(fā)現(xiàn)脈沖星2，貝爾和休伊什12休伊什生平休伊什1924年5月11日出生，中學(xué)畢業(yè)后進(jìn)了劍橋大學(xué)，學(xué)了一年參軍。戰(zhàn)爭期間，他參與機載反雷達(dá)設(shè)備的研究，指導(dǎo)空軍人員使用雷達(dá)干擾設(shè)備。1946年第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后休伊什回到劍橋繼續(xù)學(xué)習(xí)，1948年畢業(yè)后被推薦進(jìn)入卡文迪什實驗室工作。1952年獲博士學(xué)位后，在卡文迪什實驗室成為賴爾的助手。休伊什生平13喬絲林·貝爾喬絲林·貝爾小姐是休伊什的博士生，當(dāng)時24歲。貝爾在英國格拉斯哥大學(xué)獲物理學(xué)學(xué)士以后就想攻讀天文學(xué)博士學(xué)位。她首選的是焦德爾班克天文臺，可是由于工作人員把她的申請丟失，她才到了劍橋大學(xué)。脈沖星就是中子星課件14

行星際閃爍研究星星為什么向我們眨眼？地球大氣對流層中空氣密度的不規(guī)則變化和擾動對光波的影響。地球的電離層對無線電波的作用也會產(chǎn)生閃爍。太陽系行星際空間充滿著由太陽風(fēng)所帶來的密度不均勻的等離子體，它們也會使射電波發(fā)生閃爍。行星際閃爍研究15行星際閃爍的特點行星際介質(zhì)對射電波所產(chǎn)生的閃爍現(xiàn)象是快速的，在秒的數(shù)量級。只有角徑很小的射電源通過行星際空間才有閃爍現(xiàn)象。行星際閃爍的特點16類星體1963年，20世紀(jì)60年代四大發(fā)現(xiàn)之一。它們具有像恒星那樣小的角徑（小于1角秒），但不是恒星。有很大的紅移，類星體是迄今為止天文學(xué)家所知道的距離最遙遠(yuǎn)、能量最大的天體。類星體17

劍橋大學(xué)的閃爍望遠(yuǎn)鏡1965年，決定采用行星際閃爍技術(shù)大規(guī)模地確認(rèn)類星體。研制專門用于行星際閃爍的大型射電望遠(yuǎn)鏡。天線面積：長470米寬45米寬的矩形天線陣，由16排，每排128個振子天線共2048個振子組成。固定不動。3.7米的波長：閃爍比較強；望遠(yuǎn)鏡造價低，制造容易。時間分辨率達(dá)到0.1秒。劍橋大學(xué)的閃爍望遠(yuǎn)鏡18繁重的觀測和資料處理任務(wù)貝爾負(fù)責(zé)觀測，每周重復(fù)巡視一次，每天記錄紙有七八米。6個月的觀測取得5.6千米的記錄紙的原始資料。區(qū)分閃爍源和干擾成為每天必做的工作。在觀測程序上，每隔一周重復(fù)觀測一次，這樣才能把干擾識別出來。繁重的觀測和資料處理任務(wù)19貝爾發(fā)現(xiàn)不尋?！伴W爍源”67年8月，貝爾注意到一個發(fā)生在深夜的“閃爍源”。夜晚太陽風(fēng)很弱，強閃爍源是不會發(fā)生在夜晚的。在排除了人為干擾和確認(rèn)這個信號遵守恒星時以后，休伊什認(rèn)為可能是一顆來自太陽系之外的射電耀星。貝爾發(fā)現(xiàn)不尋?！伴W爍源”20確認(rèn)是來自太陽系外的信號對這個信號的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，它遵守恒星時，而不是太陽時。確認(rèn)是來自太陽系外21太陽日

太陽回到相對于地面同一位置便是一天，例如由中午至另一個中午。

恒星日

恒星返回天空同一位置為一恒星日。由于地球公轉(zhuǎn)的關(guān)系，一個太陽日比一個恒星日約長4分鐘。一年中約有365個太陽日，366個恒星日。太陽日22貝爾再立功她又從過去多達(dá)5000米記錄紙所記錄下的資料中，又找到3個脈沖星。其中一顆名叫PSR0950＋08的脈沖周期僅0.25秒。作為脈沖星的最先發(fā)現(xiàn)者，貝爾的功績是不可磨滅的。貝爾再立功23

確認(rèn)發(fā)現(xiàn)脈沖星休伊什利用精確的時標(biāo)，在改正地球軌道運動的影響之后，驚訝地發(fā)現(xiàn)脈沖周期可以精確到千萬分之一秒。測出的周期是1.3372795秒。終于確認(rèn)脈沖信號是來自一種新型的天體――脈沖星的輻射。當(dāng)時取名為CP1919，CP為劍橋大學(xué)，1919是脈沖星的赤經(jīng)。確認(rèn)發(fā)現(xiàn)脈沖星243，“小綠人”和地外文明

3，“小綠人”25“小綠人”11月28日，貝爾成功地記錄到這個信號的脈沖周期約為1.33秒。任何已知天體的輻射都不會是這樣的短周期脈沖。這個脈沖信號強弱變化，很像電報。休伊什提出可能是在太陽系外圍繞恒星作軌道運動的行星上的“小綠人”發(fā)出的信號。曾給新發(fā)現(xiàn)的脈沖星取名為：小綠人1、2、3、4號“小綠人”26貝爾女士在回顧脈沖星的發(fā)現(xiàn)時說：“當(dāng)我在搞一項新技術(shù)以取得博士學(xué)位，可一幫傻呼呼的小綠人卻選擇了我的天線和我的頻率來同我們通訊”貝爾女士在回顧脈沖星27

檢驗

如果是來自太陽系外行星上的人為信號，這個脈沖信號中必然附加了行星軌道運動所產(chǎn)生的多普勒位移。他們經(jīng)過一系列的實驗，沒有測出這種位移，從而否定了小綠人的看法。檢驗28

地外文明是嚴(yán)肅的科學(xué)問題地外文明是人們長期以來津津樂道的話題，大量的有關(guān)外星人的科幻電影和小說，把地外文明炒得沸沸揚揚。地球之外是否有生命？是一個嚴(yán)肅的科學(xué)問題、哲學(xué)問題，一個需要思考和探索的問題。地外文明是嚴(yán)肅的科學(xué)問題29

地外文明社會知多少？太陽系的地球是生命的搖籃，在宇宙空間有多少像太陽一樣的單個恒星的行星系統(tǒng)？有多少像地球一樣，有水，空氣和適當(dāng)?shù)臏囟鹊男行牵刻煳膶W(xué)家曾給出多個可能存在的文明社會的數(shù)學(xué)公式。地外文明社會知多少？30阿西莫夫計算結(jié)果

銀河系中擁有文明社會的數(shù)目為53萬個

平均100萬個恒星中不到2個阿西莫夫計算結(jié)果31阿西莫夫公式N=A×B×C×D×E×F×G×H×L×M

N：可能存在的文明社會的數(shù)目A：銀河系中的恒星數(shù)A＝3×1011個B：擁有行星系統(tǒng)的恒星百分比C：和太陽差不多的恒星百分比D：適合生物生存條件的恒星的百分比E：有類似地球的行星的百分比L：可居住的天體中具有46億年的歷史M：文明社會的壽命阿西莫夫公式32

星際有機分子的存在天文發(fā)現(xiàn)星際空間存在大量的有機分子，如氫、氧、碳、氮、硫、硅等。前4種元素是組成生命單元的細(xì)胞的蛋白質(zhì)和DNA的最基本的元素。DNA是細(xì)胞核中的一種復(fù)雜的分子，儲存了生命個體過程的信息。發(fā)生著孕育生命進(jìn)化的過程。星際有機分子的存在33

關(guān)于飛碟飛碟是人們發(fā)現(xiàn)的一些在空中飛行的形似碟子一樣的不明飛行物。人們堅信，在宇宙中，一定會有類似人的或更高級的生物。既然地球人能發(fā)射飛行探測器去探索其他星球，為什么別的星球上的宇宙人就不能向我們地球發(fā)射飛船呢？關(guān)于飛碟34飛碟是外星人乘坐的飛船嗎？最近的恒星的行星如果有智能生物，要到地球來拜訪，飛碟的速度能接近光速嗎？即使如此，也要經(jīng)過4.3～100年才能到達(dá)。天文學(xué)家探測過太陽系中的行星和近處的恒星（100PC）沒有發(fā)現(xiàn)那里有文明社會存在。飛碟是外星人乘坐的飛船嗎？35

外星人到過地球嗎？不少報道說，有人看見了乘飛碟來地球的外星人。卻總是躲著藏著，不愿和人類打交道。如果飛碟真是外星人乘坐的飛船，其科技水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們地球社會，比我們強得多，不會怕我們。來地球的首要目的應(yīng)該是和人類交流，不可能總是回避和人類見面、交談？外星人到過地球嗎？36

射電天文的發(fā)展使我們有可能檢測和接收“外星人”發(fā)來的電訊。人們企圖檢測到外星人發(fā)來的電報的愿望更加迫切了。射電天文的發(fā)展使我們有37星際通訊搜尋外星人拍來的電波信號

1960年開始搜尋地外文明的奧茲瑪計劃。使用美國國立射電天文臺的25米的射電望遠(yuǎn)鏡，在21厘米波段，對兩顆最可能存在智能生物的恒星系統(tǒng)作了監(jiān)測，沒有檢測到外星人發(fā)來的信號。星際通訊384，脈沖星就是中子星4，脈沖星就是39

脈沖星的觀測特性之一－－穩(wěn)定而短的周期脈動的射電輻射而得名。周期很短1.5毫秒～8.5秒。十分穩(wěn)定，毫秒脈沖星周期特別穩(wěn)定，可以和地球上的原子鐘比美。5年觀測起伏約0.3微秒。脈沖星的觀測特性之一40脈沖星的觀測特性之二－－周期緩慢的變長

脈沖星周期隨時間十分緩慢地增加，變化率非常之?。?/p>

脈沖星的觀測特性之二41脈沖星的觀測特性之三－－周期突然變短

偶然發(fā)生脈沖星周周期突然變短事件。意味著自轉(zhuǎn)突然加快，脈沖星發(fā)生“星震”脈沖星的觀測特性之三42脈沖星的周期是怎么來的？

脈沖星的周期為什么這么短？這么穩(wěn)定？還要緩慢地變長？天文上周期性現(xiàn)象是常見的，但都沒有這樣短。三種可能性，來自白矮星或中子星的：1，雙星的軌道運動周期2，徑向脈動周期3，自轉(zhuǎn)脈沖星的周期是怎么來的？43自轉(zhuǎn)效應(yīng)的確認(rèn)雙星軌道運動和徑向振蕩的周期演變規(guī)律是越來越短，而不是越來越長。只有自轉(zhuǎn)效應(yīng)可以解釋周期的穩(wěn)定和變化規(guī)律。

自轉(zhuǎn)效應(yīng)的確認(rèn)44自轉(zhuǎn)中子星在赤道上的線速度不能太大，如果離心力大于引力，赤道上的物質(zhì)就要脫離這個天體而導(dǎo)致崩潰。白矮星的半徑比中子星約大600倍，因此所能達(dá)到的自轉(zhuǎn)角速度要比中子星的小很多。所以只有中子星的自轉(zhuǎn)能解釋觀測到的脈沖星周期現(xiàn)象。自轉(zhuǎn)中子星45《自然》期刊論文：1968年2月，《自然》期刊論文：脈沖星是一種極為奇異的天體射電源，它在太陽系之外，發(fā)射短暫而極有規(guī)律的無線電脈沖；它是某種密度非常大的星體，很可能就是中子星。休伊什根據(jù)中子星徑向振蕩理論來解釋輻射的脈沖性質(zhì)卻是不正確的。《自然》期刊論文：46為什么中子星的輻射是周期脈沖信號

自轉(zhuǎn)周期可以達(dá)到毫秒～秒，但輻射和自轉(zhuǎn)有什么關(guān)系？中子星有很強的偶極磁場，輻射只能從磁極區(qū)出來，就像燈塔一樣只射出兩束光。自轉(zhuǎn)一次，脈沖星的輻射掃過觀測者一次，形成一個脈沖。為什么中子星的輻射47脈沖星磁極冠模型

中子星具有非常強的磁場，在磁極冠區(qū)，帶電粒子在磁場中運動發(fā)出曲率輻射，形成一個方向性很強的輻射錐，就像燈塔發(fā)出的兩束光一樣。輻射錐的中心是磁軸。一般地，磁軸和中子星自轉(zhuǎn)軸不重合，所以當(dāng)輻射錐和中子星一起轉(zhuǎn)動掃過地球上的射電望遠(yuǎn)鏡時，我們就接收到一個脈沖。脈沖星磁極冠模型48脈沖輻射特性之一1，平均輪廓形狀平均輪廓穩(wěn)定，形狀長期保持不變。

紀(jì)錄到的單個脈沖強度和形狀變化很大。

把幾百～幾萬個脈沖疊加起來后得到的輪廓稱為平均脈沖脈沖輻射特性之一49

平均脈沖形狀1，一個周期360度，脈沖有寬有窄，一般只占周期的3％～10％。2，脈沖輪廓形狀長期保持不變，如圖中的實線。3，脈沖輪廓中顯示出單峰，雙峰，三峰，5峰等形狀，顯示有多個成分存在。平均脈沖形狀50脈沖輻射特性之二

平均脈沖形狀可由輻射區(qū)的空心錐模型（早期）解釋；現(xiàn)在流行2個（或1個）空心錐＋核模型；脈沖輻射特性之二51脈沖輻射特性之三有的脈沖星的脈沖輪廓有時會變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定形狀。下圖是烏魯木齊25米射電望遠(yuǎn)鏡觀測到的PSR0329＋54的脈沖形狀突變。脈沖輪廓反常模式只停留暫短時間，然后返回正常模式。脈沖輻射特性之三52脈沖輻射特性之四平均脈沖有很強的線偏振很弱的圓偏振線偏振位置角隨脈沖部位不同而變化，典型的呈S形偏振特性由脈沖星的磁場和輻射區(qū)的幾何位型決定脈沖輻射特性之四53脈沖輻射特性之五平均脈沖強度隨頻率不同變化低頻強，高頻弱，呈冪律譜；最大值在400MHz附近，存在低頻反轉(zhuǎn)現(xiàn)象和高頻折轉(zhuǎn)現(xiàn)象；脈沖輻射特性之五54脈沖星極冠模型的證據(jù)Crab和Vela超新星遺跡中的脈沖星的X射線觀測1，中子星的兩個磁極會有方向性很強的輻射和高能帶電粒子流，會對周圍的介質(zhì)產(chǎn)生作用。2，因為磁極和自轉(zhuǎn)軸不重合，每個周期繞自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈，形成錐狀。脈沖星極冠模型的證據(jù)555，中子星的形成(不要求）5，中子星的形成56中子星的形成三步曲中學(xué)基礎(chǔ)知識：原子核，α衰變、β衰變、天然放射現(xiàn)象、同位素以及核能等。這些知識有助于我們理解中子星形成的機理。中子星的形成三步曲57

β衰變和逆β衰變

β衰變：一個孤立的中子衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子和一個電子及并發(fā)射一個反中微子的過程。逆β衰變：一個接近光速的電子和一個質(zhì)子相碰便形成一個中子和一個中微子。β衰變和逆β衰變58

第一步：中子化過程中子化過程：一個高能電子打入原子核，和其中的質(zhì)子相碰，產(chǎn)生逆β衰變反應(yīng)。核反應(yīng)后，核子數(shù)不變，少了一個質(zhì)子，多了一個中子，同時發(fā)射一個中微子。這個元素變?yōu)榱硪环N元素。第一步：中子化過程59中子化過程條件密度大于106克/厘米3時，核外電子的能量大，可打進(jìn)原子核，原子核中的中子數(shù)越來越多，質(zhì)子數(shù)越來越少，形成了很多富中子核，這就是中子化過程。中子化過程條件60第二步：自由中子發(fā)射過程α衰變：一個原子核放出由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的氦核，原子核衰變?yōu)榱硪环N元素的過程。自由中子發(fā)射：當(dāng)原子核中的中子越來越多，中子的能量大到一定程度時，中子就有可能跑出原子核。條件：密度達(dá)到或超過4x1011克/厘米3。第二步：61第三步：原子核破裂形成中子流體當(dāng)密度超過1014克/厘米3以后，原子核便完全離解，其中的質(zhì)子和電子相碰變?yōu)橹凶?，成為中子的海洋。但是中子星?nèi)還存在著很少量的質(zhì)子和電子。第三步：62簡并中子氣

中子星殼層以下的中子流體是簡并的，中子填滿了所有的能量狀態(tài)，大部分中子處于很高的能態(tài)，形成了極其巨大的簡并中子氣壓。由于中子流體的密度已超過1014克/厘米3，致使簡并中子氣所形成的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過簡并電子氣，成為可以抗衡引起星體坍縮的引力，形成穩(wěn)定的中子星。簡并中子氣63

中子星的質(zhì)量上限坍縮后所形成的致密星的質(zhì)量如果大于2個太陽質(zhì)量時，中子氣簡并壓力也無法抗衡引力，星體便只能一直收縮下去，形成黑洞。中子星的質(zhì)量上限64極端物理條件超高密：每立方厘米約有一億噸重；超高溫：幾億度以上；超強磁場：108～1014高斯;超強輻射；1025～1035爾格/秒;超流、超導(dǎo)；超強引力；極端物理條件656，休伊什獲1974年諾貝爾獎和為貝爾說公道話6，休伊什獲197466休伊什獲1974年諾貝爾獎休伊什由于和