第三节 脉冲星

1932年，查德威克（J．Chadwick）通过实验研究发现原子核内部存在中子，这是继光子、电子、质子以后人类认识的第4种基本粒子。在中子被发现不久，海森伯（W．Heisenberg）和伊凡宁柯便提出了原子核是由质子和中子构成的正确模型，并很快得到物理学界的公认。无独有偶，1934年，巴德（W．Baade）和兹维基（F．Zwicky）便在一篇论文中预言宇宙中存在中子星，说中子星“就是星的最终阶段，它完全由挤得极紧的中子构成”。5年后的1939年，奥本海默（J．R．Oppenheimer）对中子星又做了比较详细的推算，指出比太阳稍大的恒星最终塌缩为中子星时，其直径大约为10km，而密度则是水的1015倍。这意味着一块火柴盒大小的中子星物质，就重达几亿吨！这真是不可思议，也无法检测，以致其预言被冷落了30多年。

1967年，英国射电天文学家休伊什（A．Hewish）主持研制了一架独特的射电望远镜。该望远镜的天线不过是由2048个振子组成的简单网阵，但接收机的时间分辨率较高，能够把快速变化的射电辐射分辨出来。休伊什本来打算通过射电闪烁的观测把类星体与射电星系区别开来。因为类星体的角径很小，它发出的射电辐射受星际电离介质随机扰动的影响大，所以应能出现闪烁效应；而射电星系角径较大，几乎不会出现闪烁。但始料未及的是，这种具有快速时间响应功能和反复搜索程序的观测，却导致了脉冲星的发现。

休伊什的望远镜是1967年7月开始投入观测的，到该年的10月已积累了上千米长的记录纸带。他的研究生贝尔（S．J．Bell）仔细分析了这些记录，她发现有一个与人为干扰信号稍有不同的奇怪脉冲信号，如图5．4上半图所示。当她回查以前的记录时，还发现该信号早在8月份就已出现过，并且出现的时间间隔是23h 56min，即等于恒星周日视运动的时间间隔，说明这是来自太阳系以外的脉冲信号。休伊什得知这一情况后，便决定安装新的更快速的记录装置，并于当年11月28日在狐狸座方向测到周期为1.337s的更精确的脉冲信号，如图5．4下半图所示。1968年元月，休伊什、贝尔等人在《自然》杂志上正式公布了这一重大发现。休伊什并因此而获得1974年度的诺贝尔物理学奖金。

获奖原因主要是该脉冲信号反映了奇异天体发来的珍贵信息。因为信号在天上重复出现的情况与一般恒星相同，这就排除了它是来自太阳系内自然天体和人工无线电发射源的可能性。那么，太阳系外什么天体能发出这样的脉冲信号呢？虽然曾经想到地外文明世界发来规则无线电信号的可能性，但证据太少；如果让公众知道并纷纷前来追问，反而会破坏继续平静思考问题的环境。因此，比较稳妥的还是从银河系内某些特殊恒星方面去考虑为好。在这方面首先想到的是恒星的脉动，但观测表明恒星脉动的周期都很长，即使是小直径的白矮星的脉动周期也大于3s。排除了上述各种可能性后只剩下这样一种可能性：射电脉冲星是有很强磁场的、快速自转着的中子星。它就是20世纪30年代曾经预言过的那种中子星。[NextPage]

图5．5是脉冲星的铅笔束模型示意图。主要由中子构成的脉冲星本体直径很小，这在恒星晚期演化理论中有详细的解释。该中子星的自转轴和磁轴有一定的夹角。其中磁轴与铅笔形锥体的轴相重合，而强射电辐射则是集中在锥体内向外发送出去的。这样，中子星在高速自转的同时，也不断地向外发出铅笔形辐射束；当辐射束扫过观测者时，就能记录到射电波的脉冲。其情景同人们所见的高速自转的探照灯光相类似。

在扣除日地系统运行和地球大气色散等的影响以后，所测得的两个相邻脉冲星信号的时间间隔一般称为脉冲星周期。对具有伴星的脉冲星周期进行时变特性的监视观测含有重要的天体物理意义。霍尔斯（R．A．Hulse）和泰勒（J．H．Taylor）1974年用Arecibo天文台口径为305m的射电望远镜所发现的双星脉冲星PSR1913＋16就是最突出的一个事例。

PSR1913＋16脉冲星与另一颗射电宁静的中子星组成一个双中子星系统。在该系统中，脉冲星既自转，又绕中子星伴星公转。相应的脉冲星周期应是自转周期和公转周期综合作用的结果。但是这个大约59ms的自转周期的变化是极其缓慢的，在100万年内增大不到5％，其稳定性甚至优于最好的原子钟。与此相反，通过脉冲信号的多普勒效应测量可知，脉冲星沿轨道运动的公转周期是逐渐变短的，虽然平均每转一周（约7.75h）变短的幅度不过十分之几微秒，但其周期变率的绝对值，却比自转周期变率的大好几个量级。这种公转轨道周期变短一般解释为脉冲星由于辐射引力波使公转轨道逐渐缩小所致。对PSR1913＋16脉冲周期的这种监视观测一直是每年至少进行一次的。最新的数据表明，理论预期与实测结果之间的误差不超过0.5％，这正是对广义相对论关于引力波的预言的一个最精确的检测。霍尔斯和泰勒并因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖金。由于对同一类天体的开创性研究而一再获此大奖的情况，在现代天文学史上还是仅见的。