脉冲星的奇妙世界

    脉冲星辐射的来源
    脉冲星是死亡恒星核心坍缩成中子星并磁化之后产生的，它迅速自转的同时，从两极发出射电波，波束有规律地不断扫过地球。在地球上的观察者看来，就是按特定周期产生的脉冲。由于它非常有规律，1967年首次被发现时，这种脉冲曾被误认为是外星智慧生命发来的信号。
    目前人们已发现多颗脉冲星，但还不清楚其射电辐射是怎样产生的。美国科学家在设于波多黎各的“阿雷西沃”望远镜上安装了特制仪器，分析蟹状星云中央的强射电源——蟹状星云脉冲星的信号。蟹状星云脉冲星产生异常强的射电辐射，脉冲频率为每秒33次。精细分析表明，在主脉冲中，存在许多独立的次级脉冲，周期仅有2纳秒。在这么短的时间里光也只能传播60厘米，因此，产生这些微小次级脉冲的结构，尺寸也不会超过60厘米。
    在众多解释脉冲星内部机制的理论中，只有一种理论与他们的观察结果吻合。这种理论认为，脉冲星两极的等离子体因湍流使得各处密度不均匀，一些密度较大区域持续变得更为致密，直至发生爆炸性坍缩产生射电爆发。有专家认为，还需要证明这种纳秒级次级脉冲并不是蟹状星云脉冲星所独有；才能考虑用上述理论来解释所有脉冲星的射电波来源。

   拖着X射线“尾巴”
    天文学家观测到赫明脉冲星年龄约为35万年，其体积并不大，直径在20千米~30千米之间，与地球的距离约500光年；它因放射明亮而强烈的伽马射线而闻名天文界，也正是有了它人们才认识到中子星是目前已知的惟一的伽马射线源。
    2004年4月，欧洲航天局的科学家们利用XMM—牛顿X射线轨道观测台对这颗脉冲星进行的研究发现，它带有两条长达3万亿千米的X射线“尾巴”。来自意大利米兰天文物理及空间物理研究所的帕特里茨·卡拉维教授和她在法国及德国的同行进行了广泛深入地研究后得出了最后结论。他们认为，这两条长“尾巴”是这样形成的——脉冲星以极快的速度旋转并形成强烈的磁场，这个强磁场能够“捕捉”到周围的高能电子，而XMM-牛顿X射线观测台所记录下来的X射线带则正是这些电子所发出的。
    计算机模拟实验使科学家的这一假想得到印证：脉冲星旋转的速度为每1／4秒1周，这使得在它周围形成了一种特殊的空间条件。在这种条件下，它周围距离比较近的电子及正电子都能够获得接近极限的能量。这样，这些电子就变成了一个名副其实的庞大的伽马射线加工厂。同时，另外一些微粒也可能被脉冲星“甩出”它的“势力范围”。当然，脉冲星“甩出”的这些电子及正电子由于带有极高的能量，从而形成了一个强大的冲击波。科学家们认为，正是这种强大的冲击波“描绘”出了神秘的X射线“尾巴”。

    验证爱因斯坦相对论
    2004年初，意大利、美国、英国和澳大利亚宇宙研究小组发现了两颗旋转的脉冲星。这样的天文现象至今仍能观察到：两个盘旋的脉冲无线电辐射源，两个巨星彼此因爆发和嵌入而停留。这一发现能用来检验物理学基本定律，其中包括爱因斯坦相对论以及更好地认识脉冲星所产生的能量射线。这两颗脉冲星具有很大的密度，每颗脉冲星的直径刚刚超过20千米，而质量约为太阳质量的1．5倍。
    这是一个极其重大的发现。尽管爱因斯坦预言了重力波的存在，但却从未直接观察到重力波。科学工作者已经采用双星系统检测了能被简单的牛顿重力学所解释的四种不同的重力效果，并且都与爱因斯坦的重力理论一致。能够发射充足的重力波的来源并不多，脉冲双星便是这种少数的充足重力波来源之一。当两颗星互相环绕着旋转的时候，这种脉冲双星便会发射出重力波，从而使能量丢失，直到它们在一次猛烈的碰撞过程中相遇。一组脉冲双星的死亡之舞最终结束的时间大约需要8500万年，而且届时将会爆发出终极的巨大重力波。由于两颗脉冲星互相环绕着旋转，大星便将小星的磁场冲开，从而使小星的射线扭曲。
    早在1974年，阿雷西沃天文台启动了一项新的脉冲星搜寻计划。罗素·修斯在做马萨诸塞州大学天文学家约瑟夫·泰勒的研究生时，设计出一种比以前高出10倍的灵敏度的方法寻找脉冲星。其中有一颗脉冲星PSRBl913+16很特殊。罗素·修斯把这颗脉冲星放到一条以8小时绕另一个天体转动的轨道上时，被确认是一个双星系统，后来被称为“修斯—泰勒”双星。脉冲星的轨道显示它的伴星是一颗不发出脉冲的中子星。泰勒与现在卡莱登大学的天体物理学家吉尔·温斯伯格以及其他科学家合作证明了爱因斯坦的广对论在这两个致密天体的力场中依然适用——这是在太阳系外验证了广义相对论。最关键的是，这个小组证明，这两个天体绕转的轨道正在衰减，衰减率与爱因斯坦的理论精确吻合。

     宇宙中旋转的精确时钟
    2004年11月，美国加利福尼亚州理工学院研究生布赖恩雅各比领导的一个研究小组采用澳大利亚新南威尔士的64米柏斯无线电望远镜，发现了几颗再生的脉冲星。其中一颗被命名为PSRJl909-3704的脉冲星格外快地喷射出能量，爆发周期为43微秒，就像一只极其精确的时钟。它有助于天体物理学家了解致密的星体为何能够以奇妙的速度旋转。
    脉冲星是超新星爆发过程中 死亡的庞大星体的坍塌核心。强大的重力将坍塌的星体核心挤压成一颗直径大约20千米的中子星，其质量比我们的太阳还要大。新生的中子星常常剧烈地旋转，并向太空中喷射出锥形的能量波。我们在天文望远镜中观察到的这种情形，就好像灯塔中的闪光。经过几百万年之后，这类脉冲星的转速才逐渐减缓，并且其脉冲能量逐渐衰弱。然而，如果另一颗伴星向脉冲星表面喷射气体，则这颗陈旧的脉冲星又能够“再生”。双星融会的物质促使陈旧的脉冲星加速旋转，一直达到每秒钟旋转数百次。
    在雅各比等进行研究的两年时间里，PSRJl909-3704脉冲星像滚石一样地旋转，每秒钟转339周，成为迄今为止所发现的最好的天体物理学时钟。雅各比等还将监测PSRJl909-3704和其他再生脉冲星在计时方面的细微变化，以阐明短暂重力波的本质，即从巨大黑洞碰撞产生出来的脉冲所引起的时空结构的弯曲。雅各比等还希望通过观察新脉冲星与其极小伴星(即其伴星喷发出绝大多数气体之后所残存的白矮星)之间的相互作用，来确定新脉冲星的质量。