12.6 脉冲星的发现

20 世纪 60 年代第三大天文学事件是发现了射电脉冲星。1964 年,英国剑桥大学卡文迪什实验室以赖尔为核心的天体物理学小组发现了“行星际闪烁”现象,这是一种由太阳风在行星际空间的吹动而使角直径小于 1 角秒的致密射电源发生 0.1 秒量级的闪烁。负责这项工作的是休伊什(Antony Hewish,1924— )。他们还发现,研究这种闪烁可以获得致密射电源的角直径等物理量,其时正值类星体被人们发现,他们认识到通过这一途径有可能发现更多的类星体,于是,在休伊什的主持下,卡文迪什实验室建造了一架时间分辨率很高的射电望远镜。它工作在 3.7 米波长,其天线由偶极子天线阵列组成,共 16 排,每排 128 个,总计 2 048 个天线,占地面积 18 212 平方米。

1967 年 7 月,该射电望远镜阵列投入观测,研究生 S.J.贝尔(Susan Jocelyn Bell)小姐负责观测。她仔细分析了数百甚至上千米的记录纸带,很快发现天上有众多的致密射电源。1967 年 10 月,她发现记录纸带上有一个与射电源的行星际闪烁以及人为干扰信号都稍有不同的奇怪脉冲信号。她回查记录纸带时,发现这一信号早在 8 月份就已出现过,并且出现的时间间隔是 23 小时 56 分,这正是恒星周日视运动的时间间隔。于是,她立即向导师休伊什报告了这一情况。休伊什认为可能是一颗射电耀星,于是决定用快速记录仪确定信号的性质,看一看它是否与太阳耀斑的射电有相似的性质。由于这个源时隐时现,一直等到 11 月 28 日才成功地记录到这个起伏信号是一系列强度不等的脉冲(如图 12 – 18)。休伊什等人利用精确的时标,并改正了地球轨道运动的影响之后,惊讶地发现脉冲的守时精度竟优于一千万分之一,脉冲周期为(1.337 279 5 ± 0.000 000 2)s。

 

图 12 – 16  S.J.贝尔

 

图 12 – 17  休伊什在做实验

 

图 12 – 18  1967 年 11 月 28 日从射电源 CP1919 第一次观测到周期性的脉冲信号

 

在 1968 年 2 月 24 日出版的《自然》杂志上,休伊什、S.J.贝尔等人发表了关于第一颗脉冲射电源的观测和分析结果。第一颗脉冲星取名为 CP1919。他们对脉冲信号的起源作了严密的科学论证。[1]

由于射电天文学的发展和脉冲星的发现,1974 年的诺贝尔物理学奖授予了赖尔和休伊什,这是第一次由于射电天文学的公认成果得到的奖励。不过当时也引起了一些争议。例如,著名英国天文学家荷伊勒(Sir Fred Hoyle)争辩说,S.J.贝尔也应获得诺贝尔物理学奖。[2]

有人还根据致密星振荡理论来解释辐射的脉冲性质,提出脉冲星可能是中子星。1968 年底,美国射电天文学家在超新星遗迹——蟹状星云中发现了一颗脉冲星,正是休伊什用行星际闪烁技术所发现的那个致密射电源。它的脉冲周期只有 33 毫秒,根据观测确定的周期变长(或自转减速)所损失的能量,正好足以供应蟹状星云的同步加速辐射。从而证实了中子星的假设。

中子星假设是早在 1932 年发现中子后不久朗道首先提出的。他认为中子有可能组成一种致密星,他称之为中子星。1934 年巴德(W.Baade)和兹威基(F.Zwicky)提出超新星爆炸后留下的星核可能就是中子星,1939 年奥本海默等人首先计算了中子星的模型。然而,人们大多不相信真的会存在这样的星体,因此他们的工作未受足够的重视。1968 年在发现脉冲星的启示下,戈尔德(T.Gold)首先指出脉冲星的本质就是高速自转的中子星,其表面磁场可高达上亿特斯拉。由于强磁场的约束,辐射只能沿磁轴方向在很小的立体角内射出,而磁轴又与自转轴不相重合,因此当脉冲星以极快的速度自转时,沿磁轴方向射出的辐射束就会像探照灯一样迅速扫过空间(见图 12 – 19)。每当地球进入这个方向时,就能观测到脉冲辐射现象。戈达德的见解现已得到国际公认。

 

图 12 – 19  脉冲星沿磁轴方向射出的辐射束,像探照灯一样迅速扫过空间

正当射电脉冲星以其特异性吸引人们的注意不久,又传来更为出人意外的新闻。美国两位天体物理学家赫尔斯(Russell A.Hulse,1950— )和小约瑟夫·泰勒(Joseph H.Taylor,Jr.,1941— )在 1974 年宣布发现了一种新型的脉冲星——脉冲双星。当时泰勒在阿墨斯特(Amherst)的麻萨诸塞大学任教授,赫尔斯是他的研究生。他们用西印度群岛波多黎各的 300 m 射电望远镜发现这种新型脉冲星(称为 PSR 1913 + 16,PSR 代表脉冲星,1913 + 16 表示脉冲星在天空的位置)。他们当时正在系统地探索脉冲星。赫尔斯和泰勒发现这颗脉冲星和一般的脉冲星不同:从信号的行为可以推知,与这颗脉冲星相伴还有另一颗质量与之相近的伴星,两者相距仅为月亮到地球距离的几倍。这一天体系的行为与利用牛顿定律计算一对天体的结果偏离甚远。于是就为检验爱因斯坦的广义相对论和其他引力理论找到了一个新的“空间实验室”。

 

图 12 – 20  赫尔斯正在用计算机巡查脉冲星

在泰勒等人对新型脉冲星追踪了几年之后,一个非常重要的观测结果就得到了。他们发现脉冲星轨道周期不断在减小:两个天体在越来越紧缩的轨道上越来越快地互相绕着旋转,这一变化虽然非常之小,但是时间足够长的观测,它还是完全可以测量的。根据爱因斯坦在 1916 年对相对运动的质量所作的预言,这一变化之所以发生,是因为这个体系正以引力波的形式发射能量(如图 12 – 21)。泰勒等人在 1983 年观测的数据是每年减少(76 ± 2)μs。根据从 1975 年至 1992 年积累的数据,由广义相对论得到的理论计算值与观测值在优于 0.4% 的相对准确度范围内相符。这是迄今为止对广义相对论最精确的验证!

 

图 12 – 21  从脉冲双星发射出引力波


[1] Hewish A,et al.Nature,1968(217):709 ~ 713

[2] 后来 S.J.贝尔(改名为 S.J.Bell Burnell)曾经在英国开发大学担任物理系主任,并多次获奖。


发布时间:2024/5/14 下午7:07:56  阅读次数:39

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