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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 宇宙学·新天体·中子星
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:40:19 星期六), 站内信件



　　　　阿西莫夫最新科学指南·宇宙学·新天体

　　　　　　　　[美]I. 阿西莫夫　著　　朱　岚　译

中子星

　　如果射电辐射曾引发出上述奇特而令人困惑的天体——类星
体，那么，对光谱另一端的研究则引出了另一种同样奇特的天体。
　　1958年，美国天体物理学家弗里德曼发现，太阳发射出大量
的Ｘ射线。这些射线在地球表面探测不到，因为大气层会把它们
吸收掉；但是火箭可以发射到大气层以上，并且可携带适当的仪
器，因而可以轻易地探测到这种辐射。
　　有一段时期，太阳的Ｘ射线源是一个令人因惑的问题。太阳
表面的温度只有6000℃，虽然足以蒸发任何形式的物质，却不足
以产生Ｘ射线。这个Ｘ射线源必定在太阳的日冕中；日冕是太阳
周围稀薄的气体晕，从太阳向四面八方延伸出几百万公里。虽然
日冕所发出的光足有满月的一半，但完全被太阳本身的光所遮蔽，
只有在日全食时才会看到，至少在一般的情况下是这样。1930年，
法国天文学家李奥发明了一种望远镜，天气晴朗时，即使没有日
食发生，在高处也可以观测到日冕。
　　日冕之所以会被认为是Ｘ射线源，是因为早在利用火箭研究
调射线以前，人们就怀疑它具有非常高的温度。对日食时日冕光
谱的研究发现，有些谱线与任何已知元素都联系不起来。人们怀
疑这是一种新元素并命名为（气＋免）。然而，1941年，人们发
现这种新元素的谱线可以由被剥夺了多个亚原子粒子的铁原子产
生出来。 但是，要夺去所有这些粒子需要大约100万度的高温，
而如此高的温度足可以产生Ｘ射线了。
　　当太阳耀斑爆发喷入日冕时，Ｘ射线辐射会明显地增加。这
时的Ｘ射线强度表明，耀斑上方日冕的温度高达1亿度。 日冕的
稀薄气体为什么会有如此高的温度，至今仍然是一个有争议的问
题。（一定要把这里所说的温度同热区分开来。日冕中的温度是
气体中原子或粒子动能的一种量度，因为气体中粒子很少，所以
单位体积的实际热容量非常低。Ｘ射线就是由这些极高能粒子碰
撞产生的。）
　　太阳系以外的地方也有Ｘ射线射来。1963年，罗西与其他天
文学家一起利用火箭把一些仪器带到空间，想知道太阳的Ｘ射线
是不是由月球的表面反射来的，结果从天空的其他地方探测到两
个特别集中的Ｘ射线源。较弱的一个（金牛Ｘ－１，因为它在金
牛星座里）很快就同蟹状星云联系在一起。而较强的一个则是天
蝎座里的天蝎Ｘ－１，1966年发现它与一个光学天体联系在一起，
这个光学大体似乎是一个老新星的残骸（与蟹状星云相似）。此
后，在天空中又探测到许多其他Ｘ射线源。
　　要发射出跨越星际空间后强度仍足以被探测到的高能射线，
必须要有一个温度极高而且质量极大的射电源。太阳日冕发射的
Ｘ射线的强度完全达不到这种程度。
　　一个天体同时具有巨大的质量和100万度的温度， 这表明它
是一种比白矮星更致密、更极端的天体。早在1934年，兹威基就
提出过，在一定的条件下，白矮星的亚原子粒子可能会结合成为
叫做中子的不带电粒子。而后这些中子被挤压到一起直到互相贴
着，结果会形成一个直径不超过16公里（10英里）的球体，却仍
然保留着原来整个恒星的质量。1939年，美国物理学家奥本海默
比较详细地研究了这种中子星的特性。这种天体可以得到极高的
表面温度，从而放射出大量的Ｘ射线，至少在形成后的初始阶段
是这样。



图：哈勃望远镜认为这是一颗孤单的中子星

　　弗里德曼重点在蟹状星云中搜寻这种中子星存在的实际证据，
因为人们认为，形成蟹状星云的大爆发遗留下来的可能不是一颗
致密的白矮星，而是一颗超致密的中子星。1964年7月， 当月球
掩食蟹状星云时，曾向大气层以外发射了一枚火箭；以记录Ｘ射
线辐射。如果Ｘ射线辐射来自一颗中子星，那么，当月球从这个
微小的天体前面经过时，会一下子把Ｘ射线辐射全部挡住。如果
Ｘ射线辐射来自整个蟹状星云，那么，在月球一点儿一点儿地掩
食星云时，Ｘ射线辐射会逐渐衰减下去。结果证明是后一种情况，
蟹状星云似乎只不过是一个更大、更强的星系冕。
　　一时间，中子星实际存在并可以被探测到的可能性减小了；
但是在对蟹状星云试验失败的同一年，在另一方面却有了新的发
现。某些射电源发射的射电波，在强度方面似乎显示出极快速的
起伏，就好像天空到处都有射电波“闪烁”。
　　天文学家们很快就设计出了能够捕捉到这种爆发时间很短的
射电辐射的仪器。他们认为，利用这些仪器能够非常详细地研究
这些快速的变化。英国剑桥大学天文台的天文学家休伊什使用的
就是这种射电望远镜。他监造的2048个单独的接收装置，在大约
12000平方米的面积上摆成阵列；1967年7月，这个阵列开始工作。
在不到几个月的时间里，在一位年轻的英国研究生J.贝尔的控制
下，在织女星和牛郎星中间的一个地方探测到射电能的爆发。这
种短的爆发并不难探测到。如果天文学家早些时候期待发现这种
短的爆发并研制出探测它们的仪器的话，本来是可以早些年发现
它们的。碰巧，这些爆发短得惊人，仅持续1/30秒的时间。更令
人惊讶的是，这些爆发以1.33秒的间隔一个接一个非常有规律地
发生。事实上，这些有规律的问隔可测到一亿分之一秒的精确度：
即1.337 301 09秒。
　　当然，没有办法说明这些脉冲代表着什么，至少在最初时是
这样。休伊什只好认为这是一种脉动着的恒星，每一次脉动都有
一次能量爆发。这个名字很快就被简称为脉冲星，从而人们又知
道了一种新的天体。
　　应该说这种新天体不止一个。休伊什发现了第一颗脉冲星以
后，马上搜寻其他的脉冲星， 1968年2月，当休伊什宣布他的发
现时，他已经找到了4颗脉冲星的位置， 终于他获得了1974年的
诺贝尔物理学奖。这时，其他的天文学家才开始热心地搜寻脉冲
星，现在知道的脉冲星已有400多颗。 在我们的银河系中可能一
共有10万颗脉冲星，有些可能近在100光年左右。 （没有任何理
由认为在其他星系中没有脉冲星，但是在如此遥远的距离，它们
大概过于微弱而探测不到。）
　　所有脉冲星都有极规则的脉动，但是它们的精确周期却各不
相同。有一颗脉冲星的周期长达3.7秒。 1968年11月，天文学家
在西弗吉尼亚的格林班克探测到蟹状星云里的一颗脉冲星，周期
只有0.033089秒。它每秒脉动30次。
　　人们自然会问：到底是什么东西能够产生如此规律而短暂的
爆发？某个天体一定在经历着某种非常有规律的变化，而变化的
间隔快得足以产生这些脉冲。会不会是一颗行星，在绕恒星运行
的过程中，每公转一周都要运行到恒星背后一次（从地球的方向
看去），而当它再出现时，发射出射电波的强烈闪光？或者，会
不会是一颗自转着的行星，每自转一周，它表面上的某个会放射
出大量射电波的特殊斑块就朝我们的方向扫射一次？



图：脉冲星模型

　　但是，要是这种情况的话，一颗行星必须以几秒或几分之一
秒的周期绕恒星公转或绕自己的轴自转，而这是难以想象的。要
产生像脉冲星的脉冲那样快的脉冲，某个天体必须以巨大的速度
自转或公转，这就要求这个天体的体积非常小，但同时要有极高
的温度或强大的引力场或两者兼有。
　　这使人们立即想到了白矮垦，但即使是白矮星，它们相互绕
转。自转或脉动的周期也短不到可以说明脉冲星的程度。此外，
白矮星的体积还是太大了，而它们的引力场却太弱了。
　　戈尔德立即提出，这可能是中子星。他指出，中子星体积小
而密度大，足以在4秒或在更短的时间内自转一圈。 而且，理论
上已经证明，中子星会有非常强的磁场，而磁极不一定在自转极
的位置。电子被中子星的引力紧紧地束缚住，只能在磁极处逸出。
当这些电子被甩出时，它们会以射电波的形式失去能量。因此，
从中子星表面相对应的两个点上，会发射出稳定的射电波束。
　　如果中子星自转时，一束射电波或两束射电波朝我们方向扫
过的话，那么，中子星自转一周我们就会探测到一次或两次短暂
的射电波能爆发。如果是这种情况的话，脉冲星在自转时必须至
少有一个磁极正巧朝我们的方向扫过，我们才能深测到它们，一
些天文学家估计，100个中子星中大约只有1个符合这个条件。如
果在银河系里真有10万个中子星的话，从地球上大概只能探测到
1000个。
　　戈尔德进一步指出，如果这个理论是正确的，则中子星会从
磁极泄漏出能量，从而使自转的速度减慢。因此，脉冲星的周期
越短就越年轻，损失能量和减慢速度也就越快。
　　当时知道的最快的脉冲星在蟹状星云里。它可能是最年轻的
一个，因为遗留下这颗中子星的超新星爆发，发生的时间还不到
1000年。
　　人们对蟹状星云脉冲星的周期进行了仔细研究，果然发现，
正如戈尔德所预测的那样，它的自转速度在减慢。它的周期每天
增加10亿分之36．48秒。在其他脉冲星中发现也有同样的现象。
进入20世纪70年代后，中子星假说被人们广泛接受。
　　有时候脉冲星会突然稍微加快周期，然后又恢复减慢的趋势。
一些天文学家认为，这可能是由星震造成的。星震是中子星内部
质量分布的转移现象。也可能是某个相当大的大体冲入中子星，
把它的动量加到了中子星上，
　　没有理由认为，从中子星里发射出来的电子只是以微波的形
式失去能量。这一现象应该产生光谱中所有的波。它还应该产生
可见光。
　　人们将注意力集中在蟹状星云里的一些天区中，那里可能会
有过去超新星爆发遗留下的可见残骸。 果然，1969年1月，人们
注意到，在蟹状星云里有一颗暗星的光以微波脉冲的准确时间忽
隐忽现。如果天文学家过去有过应该搜寻这种快速明暗交替的想
法的话，很早以前就会发现这颗星。蟹状星云脉冲星是发现的第
一颗光学脉冲星，即第一颗可见的中子星。
　　蟹状星云脉冲星也会放射出Ｘ射线，在来自蟹状星云的全部
Ｘ射线中，大约有5%是从这个微小的闪烁着的光点放射出来的。
于是，1964年似乎已经奄奄一息的Ｘ射线与中子星之间的关系，
又胜利地复活了。



图：船帆座脉冲星（中子星）喷发出高能粒子。钱德拉Ｘ射线望远镜摄

　　人们可能会认为，中子星不会再有令人惊讶的事了；但是19
82年， 天文学家们在波多黎各利用300米口径的阿雷西博射电望
远镜发现了一颗脉冲星，每秒钟脉动642次， 比蟹状星云脉冲星
快20倍。这颗星可能比大多数的脉冲星都小，直径大约不会超过
5公里；而质量可能是我们太阳质量的2倍或3倍； 此外，引力场
也必定非常强。但即使是这样，如此快速的自转也一定近乎于把
它扯碎的程度。另一个令人迷惑的问题是；与它消耗的巨大能量
比起来；它自转的速率减慢得没有预料的那么快。
　　后来又探测到第二颗这样的快脉冲垦，科学家们正在忙着推
测它存在的原因。


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