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中子星是如何发现的?

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中子星是如何发现的?

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    2016-06-19 16:41:41
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    19世纪40年代和50年代,恒星能量生成理论取得了巨大的成功,同时也成为研究恒星演 化的理论基础。不过在那个时候,恒星的演化即使在天文学家的心目中,也只是指主序星阶段 的演化。这个时期的恒星,能量的“收支”基本上是处于平衡的。对于核燃料消耗完后的恒星 晚期将如何演化的重要性,很少有人认识到。
      人们所知的主要是关于白矮星的知识。在赫一罗 图上,白矮星位于主星序的左下方,它们的主要代表,也是最初确定的一颗是天狼星的伴星。根 据它同天狼星相互绕转的轨道运动的分析,知道这颗伴星的质量同太阳差不多,但光度却只有 太阳的2%,说明它的体积只有地球那么大,因此,它的密度达100千克/厘米3。
       这样大的密度在地球上是难以想象的,一时成了人们经常谈论的奇闻。直到20世纪20年 代量子力学的提出,人们才认识到这种高密度物质状态的本质。 原来,在恒星稳定地燃烧核燃料时,是靠着核反应产生的辐射和热压力同它自身的引力相 抗衡来维持平衡的。
      核燃料烧完之后,恒星是不是会在自引力作用下无限制地收缩下去呢?不 会的,当星体收缩到一定程度,在那样的高密度下,会出现一种叫作电子简并压的压力,只要恒 星的质量小于1。3倍太阳的质量,这种压力就能成功地抵抗住恒星的自引力。 白矮星虽然得到了人们理论上的认识,但在多数人看来,它好像博物馆里的展品一样,作 为恒星最后的坟墓,有着罕见的超高密度,可以供猎奇者惊叹,却并没有什么启发人的实际 意义。
       但是有少数物理学家却不是这样想。1932年发现中子以后不久,前苏联物理学家朗道就 猜测,既然中子和电子一样服从泡利不相容原理,那么由于中子的简并压同引力相平衡也将形 成一种稳定的状态。这是关于中子星的最初预言。 1934年,美国的巴德和茨维基根据天文观测指出,宇宙中有时会发生一种“超新星”的现 象。
      他们在一篇简短的文章中指出,“超新星代表了普通恒星向中子星的过渡阶段,中子星在其 最后阶段是由紧紧挤在一起的中子组成的。”这样,他们把中子星同超新星联系起来,正式提出 中子星的假设。 1939年,奥本海默等人对中子星的结构作了详细的预测。根据这些预言,中子星的直径只 有几十千米,质量却比太阳还要大一些。
      这样的夫体密度比白矮星又高一亿倍以上。 对于许多人来说,白矮星的密度已经使他们惊叹不已了,中子星这样高密度的天体更加是 想都不敢想的了。所以在那些预言发表以后的几十年间,很少有人认真地对待它们,它们被当 作异想天开的物理游戏而受到人们的讥讽,渐渐地被科学界所遗忘了。
       但是事隔30年之后,原来受到讥讽的预言却得到了证实。中子星真的被找到了! 行星际闪烁同我们常说的星星“眨眼”现象有点类似。当星光通过地球的大气时,由于大 气中的不均匀起伏现象,使星星发出的光一闪一闪的,看起来似乎在眨眼睛。这种闪烁现象同 发光体相对于我们的角尺寸(我们观察发光体时视线所张开的角度)有关。
      恒星离我们很远, 基本上是一个点,因而易发生闪烁;而行星较近,望远镜中看起来是一个圆面,因而不容易看到 闪烁。 在射电波段也有类似的现象,不过这种闪烁不是大气造成的,而是由充满行星际空间的太 阳风引起的。行星际闪烁也同射电源的角尺寸有关,甚至可以提供计算射电源角直径的方法0 1967年,英国剑桥大学天文学家制造了一架射电望远镜。
      这架新望远镜是为了利用行星际闪 烁现象来研究射电源而设计制造的。因为行星际闪烁在低频段较显著,所以望远镜的工作波段 为81。5MHz。又因为闪烁是很快的,所以望远镜应有很高的时间分辨率。但这样一来,信号与 噪声比就较小了,于是只能增大望远镜的接收面积。
      落成后的望远镜占地将近20000米2,是一 个由16 x 128个偶极天线组成的天线阵。 望远镜从1967年7月开始观测,每天得到七八米长的记录纸。记录纸本来可以用计算机 进行分析,但因为仪器刚投入运转,为了检查它们是否正常,所以决定由一位叫乔斯琳•贝尔的 研究生进行人工分析。
       几星期之后,乔斯琳•贝尔从记录上看出有一段不易辨认的记录,不像是闪烁,也不是其他 干扰,而且出现的赤纬都是+23°,赤经也大致相同,约为19时20分。 这段记录虽然只在一百多米的记录纸上只占一二厘米,却引起了贝尔的注意。她把这件事 告诉了指导老师休伊什,他们便决定对这一现象进行快速记录。
       经过一番周折,他们终于在11月末获得了第一个快速记录。记录笔描下了一连串脉冲,每 两个脉冲的间隔都是1。33秒。进一步分析,又发现它同其他射电源以同样的速度和方向通过 天线束,它是按恒星时运动的——每天提前4分钟出现。 进一步的记录证明信号的脉冲周期保持得非常准确而且稳定,同时发现在其他频率处也有 类似的脉冲。
      低频处的信号比高频处的要晚到一些时间,这是天文学家熟知的星际介质的弥散 作用所造成的。从弥散的量,他们算出了脉冲信号源离地球的距离是212光年,远在太阳系之 外,但在银河系之内。看来,这像是天外的“人”发来的信号。 地球外的有理智的“人”早就是幻想小说的常用主题。
      有的科学家设想,由于其他行星上 的引力很大,或者因为文明的高度发展而使体格退化,这种别的世界里的高等动物也许体形很 小,而且他们也许能不通过植物而直接利用恒星的光能,因而他们的肤色是绿的……于是,“小 绿人”成了人们经常谈论的对象。 可是,很少有人认真对待这种幻想。
      然而,剑桥的望远镜却收到了这种难以解释的信号。 也许,•“小绿人”正在敲我们的门!这是多么令人兴奋的发现呀! 休伊什和他的学生继续仔细观察。他们想,如果信号果真是“小绿人”发出的,他们应当居 住在某个行星上,行星绕它的“太阳”转动,应该引起脉冲间隔时间的变化,然而实际上却没有 这样的变化。
       到1968年1月底,进一步的记录和对以往记录的详细检查使他们确信,另外有三个信号 源也会发出类似的脉冲信号。于是“小绿人”的假说只得靠边了,因为不能设想,天上相距如 此遥远的四个地方的“小绿人”会约好了在同样的频段上,在同样一段时间里给地球发出 信号。
       于是,寻求答案的努力方向又从理智的生命转回到自然界。什么样的天体才能发出如此快 速而又稳定的脉冲信号呢? 第一,天体的尺度应当很小,否则的话,天体上距我们不等的各个点发出的脉冲会相互重叠 而使我们无法分辨出一个个的脉冲。根据观测到的脉冲宽度是16毫秒,可以断定天体的发射 区尺度小于3000千米。
      这样小的尺度看来只能是白矮星或中子星。 第二,脉冲周期为1。3372275秒,而且具有高度的稳定性。天体上的周期性过程无非是三 种:轨道运动、脉动和自转。轨道运动在考虑“小绿人”这种可能性时已被排除,后来的精密测 量又排除了脉动的可能性,因而观察到的周期脉冲只可能是自转造成的。
       第三,所发现的脉冲周期是一秒的数量级,既然这是自转造成的,说明星体要在一秒多一点 的时间内自转一周。 计算表明,白矮星在这样疯狂的转速下早就被扯得粉碎了。于是结论只有一个——这种被 人们称为“脉冲星”的天体就是快速自转着的中子星! 到1978年,人们已经找到了 300多个脉冲星,它们的周期短到0。
      033秒,长到3。 7秒,新的 观测事实进一步证明了它们都是自转着的中子星。由于这一重大发现,休伊什获得了 1974年 诺贝尔物理学奖。20世纪30年代一项不引人注意的,甚至受到嘲笑的纯理论预言,到60年代 终于得到了光辉的证实。 。

    安***

    2016-06-19 16:41:41

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