什么是脈沖星？脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星

2025-12-10 11:34:57 分類：熱點(diǎn) 閱讀(3178)

從地球上看，脈沖星看起來(lái)像閃爍的沖星恒星。 （圖片來(lái)源：MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）
（神秘的脈沖桂林外圍（外圍工作室）[微信1662+044-1662][提供外圍女上門服務(wù)快速安排面到付款不收定金地球uux.cn）據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)（作者：羅伯特·李卡拉·科菲爾德）：脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，以幾秒鐘到幾毫秒的星快固定間隔發(fā)射輻射脈沖。
脈沖星具有強(qiáng)大的轉(zhuǎn)的中星磁場(chǎng)，沿著磁極漏斗粒子，什脈速旋使它們加速到相對(duì)論速度，沖星從而產(chǎn)生兩束強(qiáng)大的脈沖光束，每極一束。星快根據(jù)加州大學(xué)，轉(zhuǎn)的中星因?yàn)榇艌?chǎng)的什脈速旋兩極與脈沖星的自旋軸不對(duì)齊，粒子束和它們產(chǎn)生的沖星光隨著脈沖星的旋轉(zhuǎn)而被掃過。
脈沖星的脈沖周期性是由這些穿過地球上視線的光束引起的，當(dāng)光線背對(duì)著我們時(shí)，星快脈沖星似乎在“關(guān)閉”點(diǎn)。轉(zhuǎn)的中星這些脈沖之間的時(shí)間是脈沖星的“周期”。
想象這是一把打開的剪刀在一個(gè)手柄上旋轉(zhuǎn)。一個(gè)葉片朝上，這是旋轉(zhuǎn)軸，而另一個(gè)葉片是光束。雖然旋轉(zhuǎn)軸具有相同的方向，但光束的方向隨著中子星的自旋而轉(zhuǎn)動(dòng)。
因此，實(shí)際上，脈沖星可以被認(rèn)為是“宇宙燈塔”。盡管燈塔可能整夜都在發(fā)出光束，桂林外圍（外圍工作室）[微信1662+044-1662][提供外圍女上門服務(wù)快速安排面到付款不收定金但受災(zāi)的水手只有在它面向他們時(shí)才會(huì)看到它。因?yàn)樗鼈冃D(zhuǎn)得如此之快，所以看起來(lái)就像“閃爍”。
這也意味著“脈沖星”這個(gè)名字實(shí)際上可能具有誤導(dǎo)性，因?yàn)檫@些中子星實(shí)際上并沒有像天文學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為的那樣，通過周期性地收縮和膨脹來(lái)脈沖。它們的脈沖只是它們相對(duì)于我們對(duì)它們的看法的方向的一個(gè)因素，它們的光輸出基本上是一致的。
有兩種類型的脈沖星，一種周期為幾毫秒，這種周期隨時(shí)間變化非常緩慢，稱為毫秒脈沖星，以及其他脈沖星，稱為“普通脈沖星”。
脈沖星是如何形成的？
賓夕法尼亞州立大學(xué)說，像所有中子星一樣，脈沖星是在質(zhì)量在太陽(yáng)的四到八倍之間的恒星耗盡核聚變?nèi)剂蠒r(shí)誕生的。（在新選項(xiàng)卡中打開）.當(dāng)較輕的元素與較重的元素的融合停止時(shí)，支持大質(zhì)量恒星抵抗自身巨大引力向內(nèi)壓力的能量的產(chǎn)生也停止了。恒星一生所享受的平衡結(jié)束了，它開始崩潰。
隨著坍縮的進(jìn)行，恒星的外層在超新星爆炸中被吹走，只有大質(zhì)量恒星的鐵核含有相當(dāng)于太陽(yáng)的質(zhì)量，大約是我們恒星的1.5倍。根據(jù)美國(guó)宇航局戈達(dá)德的說法，這壓碎成不超過12至17英里（19至27公里）的寬度，大約是地球上一個(gè)城市的寬度。
這產(chǎn)生了由95%中子組成的中子星物質(zhì)，因?yàn)樘s迫使電子和質(zhì)子在一起。根據(jù)美國(guó)宇航局的說法，構(gòu)成中子星的物質(zhì)非常致密，僅一茶匙就重達(dá)40億噸。這相當(dāng)于一萬(wàn)個(gè)帝國(guó)大廈堆放在一個(gè)小勺子上！
這種超致密物質(zhì)被阻止進(jìn)一步擠在一起，因?yàn)楹阈呛诵牡馁|(zhì)量無(wú)法克服其中子的量子特性。如果恒星的質(zhì)量足以壓倒這種效應(yīng)，中子星將繼續(xù)坍縮，直到它變成黑洞。
具有太陽(yáng)質(zhì)量的恒星永遠(yuǎn)不會(huì)成為中子星，相反，我們的恒星將在氫耗盡后結(jié)束其生命，融合成氦，成為稱為白矮星的陰燃恒星殘骸。
核心坍縮的過程可能是導(dǎo)致年輕中子星像脈沖星一樣快速旋轉(zhuǎn)的原因。把這想象成一個(gè)溜冰者在懷里畫畫。當(dāng)他們這樣做時(shí)，滑冰者旋轉(zhuǎn)得更快。這類似于坍縮的恒星核心的直徑迅速縮小。
關(guān)于為什么毫秒脈沖星旋轉(zhuǎn)得更快，一種理論是它們誕生于雙星系統(tǒng)中的大質(zhì)量恒星。在中子星的形成過程結(jié)束后，新生的中子星從其緊密的雙星伴星中剝離了物質(zhì)。這將角動(dòng)量從多納星轉(zhuǎn)移到“饋送”的中子星，從而增加其旋轉(zhuǎn)或“旋轉(zhuǎn)”。

藝術(shù)家對(duì)脈沖星虹吸物質(zhì)遠(yuǎn)離伴星的印象，導(dǎo)致毫秒脈沖星的形成。（圖片來(lái)源：版權(quán)所有NASA/CXC/M.Weiss）
所有的中子星都是脈沖星嗎？
簡(jiǎn)而言之，所有的脈沖星都是中子星，但并非所有的中子星都是脈沖星。
到目前為止，我們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)中子星都是脈沖星，但那是因?yàn)樗鼈儽戎凶有敲黠@得多。隨著大型輻射信標(biāo)從磁極爆炸出來(lái)，天文學(xué)家可以比小而暗淡的中子星更容易觀察這些宇宙燈塔。
然而，一些脈沖星可能無(wú)法從地球上觀察到，因?yàn)樗鼈兊妮椛涔馐肋h(yuǎn)不會(huì)朝向我們。
我們可以相當(dāng)肯定脈沖星正在快速旋轉(zhuǎn)中子星，因?yàn)樵诔滦堑臍埡≈幸呀?jīng)發(fā)現(xiàn)了年輕的脈沖星，而這正是中子星有望被發(fā)現(xiàn)的地方。
其他目前看起來(lái)不是脈沖星并且看起來(lái)像非旋轉(zhuǎn)中子星的中子星可能曾經(jīng)是脈沖星，但導(dǎo)致它們發(fā)射輻射束的過程可能已經(jīng)“關(guān)閉”或發(fā)射可能太弱而無(wú)法觀察到。脈沖星的平均壽命約為1000萬(wàn)年，隨著年齡的增長(zhǎng)，它們的旋轉(zhuǎn)速度減慢。
因此，如果不是所有的中子星都是脈沖星，那么這些奇特的殘骸如何最終會(huì)像強(qiáng)大的宇宙燈塔一樣呢？
誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了脈沖星？

這些螃蟹脈沖星的圖像，錢德拉X射線天文臺(tái)在幾個(gè)月內(nèi)拍攝，顯示中心有明亮的白色脈沖星，以及噴出的物質(zhì)射流。（圖片來(lái)源：NASA/CXC/ASU/J.Hester et al.）
1932年物理學(xué)家詹姆斯·查德威克（James Chadwick），中子星的概念最早是由列夫·朗道（Lev Landau）在1934年預(yù)言的在蘇聯(lián)，分別由沃爾特·巴德和弗里茨·茲威基同年在美國(guó)。
五年后的1939年，羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）和喬治·沃爾科夫（George Volkoff）將開發(fā)中子星的理論模型，但第一顆脈沖星形式的中子星還需要三十年才能被發(fā)現(xiàn)。
1967年，劍橋的射電天文學(xué)家參與了類星體的搜索，并開發(fā)了一種能夠檢測(cè)無(wú)線電波強(qiáng)度的快速和隨機(jī)變化的儀器，保存了這些信號(hào)以供以后分析。
在劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究的24歲新霍爾研究生喬斯林·貝爾（Jocelyn Bell）在安東尼·休伊什（Antony Hewish）的監(jiān)督下，發(fā)現(xiàn)了神秘的高度規(guī)則信號(hào)，與受太陽(yáng)風(fēng)影響的類星體預(yù)期的隨機(jī)信號(hào)非常不同。
這些信號(hào)是如此有規(guī)律，以至于當(dāng)它們第一次被發(fā)現(xiàn)時(shí)，它們被歸因于人類活動(dòng)。當(dāng)人們推斷出這些高度規(guī)則的信號(hào)一定來(lái)自宇宙時(shí)，有人認(rèn)為它們可能是智能外星生命的結(jié)果。
這導(dǎo)致這些脈沖的來(lái)源贏得了“LGM1”或“小綠人1”的詼諧名稱。當(dāng)然，貝爾和休伊什繼續(xù)發(fā)現(xiàn)發(fā)射的實(shí)際來(lái)源是一顆周期為1.3373秒的脈沖星。這顆脈沖星現(xiàn)在有一個(gè)稍微不那么聳人聽聞的名字PSR B1919 + 21。
劍橋大學(xué)說截至今天，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3000多顆脈沖星，雖然這些脈沖星最初是在無(wú)線電波中發(fā)現(xiàn)的，但我們已經(jīng)在X射線，伽馬射線甚至可見光中發(fā)現(xiàn)了這些宇宙燈塔。
脈沖星極端：脈沖星的旋轉(zhuǎn)速度有多快？
像所有中子星一樣，脈沖星的質(zhì)量和大小受到相當(dāng)嚴(yán)格的限制，大多數(shù)中子星的質(zhì)量約為太陽(yáng)的1.5倍。脈沖星變化很大的一個(gè)方面是它們的旋轉(zhuǎn)速率。有些以每秒數(shù)百次的速度旋轉(zhuǎn)，美國(guó)宇航局說比家用攪拌機(jī)的刀片還快。
2022年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止最重的中子星，質(zhì)量是太陽(yáng)的2.35倍，這也是銀河系中有史以來(lái)旋轉(zhuǎn)最快的脈沖星。被命名為PSR J0952−0607的脈沖星也被稱為黑寡婦脈沖星，因?yàn)樗徽J(rèn)為通過消耗伴星雙星達(dá)到了破紀(jì)錄的旋轉(zhuǎn)速度和質(zhì)量。
黑寡婦脈沖星以707赫茲（HZ）或每秒707次的速度旋轉(zhuǎn)。其頂部是脈沖星PSR J1748-2446ad，它以716 HZ或每秒716次的速度旋轉(zhuǎn)。
1974年，拉塞爾·艾倫·赫爾斯和小約瑟夫·胡頓·泰勒馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的阿默斯特發(fā)現(xiàn)了另一種極端類型的脈沖星，它存在于一個(gè)有中子星的雙星系統(tǒng)中。
這種類型的脈沖星系統(tǒng)被命名為Hulse-Taylor二進(jìn)制，對(duì)于希望研究阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對(duì)論的局限性以及研究引力波的天文學(xué)家來(lái)說，已經(jīng)變得非常重要，引力波是時(shí)空結(jié)構(gòu)中的微小漣漪，從宇宙中最強(qiáng)大和最暴力的事件和物體傳播。
脈沖星的用途

天空地圖，顯示用費(fèi)米伽馬射線望遠(yuǎn)鏡上的LAT儀器探測(cè)到的伽馬射線脈沖星。上圖是用LAT探測(cè)到的伽馬射線脈沖星：CGRO PSR（加號(hào)），年輕的無(wú)線電選擇（圓形），年輕的伽馬選擇（方形）和MSP（鉆石）。（圖片來(lái)源：Fermi-LAT/GSFC）
脈沖星是科學(xué)家研究各種現(xiàn)象的絕佳宇宙工具。
脈沖星發(fā)出的光攜帶有關(guān)這些物體及其內(nèi)部發(fā)生的事情的信息。這意味著脈沖星為科學(xué)家提供了有關(guān)中子星物理學(xué)的信息，中子星是宇宙中最密集的物質(zhì)（黑洞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生的情況除外）。在如此難以置信的壓力下，物質(zhì)的行為方式在宇宙中任何其他環(huán)境中都是前所未有的。中子星內(nèi)部物質(zhì)的奇怪狀態(tài)就是科學(xué)家所說的“核意大利面”：有時(shí)，原子排列成平板，如千層面，或螺旋狀，如fusilli，或小塊，如面疙瘩。
一些脈沖星也被證明非常有用，因?yàn)樗鼈兊拿}沖精度很高。有許多已知的脈沖星以如此精確的規(guī)律閃爍;它們被認(rèn)為是宇宙中最精確的自然時(shí)鐘。因此，科學(xué)家可以觀察脈沖星閃爍的變化，這可能表明附近空間正在發(fā)生某些事情。
正是通過這種方法，科學(xué)家們開始確定圍繞這些致密物體運(yùn)行的外星行星的存在。事實(shí)上，在地球太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)的第一顆行星是圍繞脈沖星運(yùn)行的。
由于脈沖星在太空中移動(dòng)，同時(shí)每秒閃爍固定次數(shù)，科學(xué)家可以使用許多脈沖星來(lái)計(jì)算宇宙距離。脈沖星位置的變化意味著它發(fā)出的光或多或少需要時(shí)間才能到達(dá)地球。由于脈沖的精確計(jì)時(shí)，科學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行了一些最準(zhǔn)確的距離測(cè)量。的宇宙物體。
脈沖星已被用于測(cè)試阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對(duì)論的各個(gè)方面，例如萬(wàn)有引力。
脈沖星的常規(guī)時(shí)間也可能被引力波破壞 - 愛因斯坦預(yù)測(cè)的時(shí)空漣漪，并在2016年2月首次直接探測(cè)到。目前有多個(gè)實(shí)驗(yàn)通過這種脈沖星方法尋找引力波。
在這些類型的應(yīng)用中使用脈沖星取決于它們?cè)谛D(zhuǎn)中的穩(wěn)定程度（從而提供非常規(guī)律的眨眼）， 斯科特·蘭塞姆，弗吉尼亞州夏洛茨維爾國(guó)家射電天文臺(tái)（NRAO）的一名天文學(xué)家說。
所有脈沖星在旋轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)逐漸減速;但是那些用于精確測(cè)量的裝置正在以令人難以置信的緩慢速度減慢，因此科學(xué)家們?nèi)匀豢梢詫⑺鼈冇米鞣€(wěn)定的計(jì)時(shí)設(shè)備。
脈沖星墓地

美國(guó)宇航局（NASA）的脈沖星插圖，脈沖星是一顆快速旋轉(zhuǎn)的中子星，周期性地指向地球的輻射爆發(fā)。（圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心）
所有脈沖星都會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸減慢。脈沖星發(fā)出的輻射由其磁場(chǎng)和自旋共同提供動(dòng)力。結(jié)果，減速的脈沖星也會(huì)失去功率，并逐漸停止發(fā)射輻射（或者至少，它停止發(fā)射足夠的輻射供望遠(yuǎn)鏡探測(cè)），哈丁說。迄今為止的觀測(cè)表明，脈沖星在無(wú)線電波之前下降到伽馬射線的探測(cè)閾值以下。當(dāng)脈沖星達(dá)到生命的這個(gè)階段時(shí)，它們就會(huì)進(jìn)入所謂的脈沖星墓地。（停止發(fā)射的脈沖星可能被天文學(xué)家認(rèn)為是普通的中子星）。
當(dāng)脈沖星從超新星的殘骸中形成時(shí)，它會(huì)快速旋轉(zhuǎn)并輻射出大量能量，Ransom說。經(jīng)過充分研究的蟹脈沖星就是這樣一顆年輕脈沖星的一個(gè)例子。這個(gè)階段可能會(huì)持續(xù)幾十萬(wàn)年，之后脈沖星開始減速，只發(fā)射無(wú)線電波。他補(bǔ)充說，這些“中年”脈沖星可能構(gòu)成了被確定為僅發(fā)射無(wú)線電波的脈沖星種群的大部分。這些脈沖星存活了數(shù)千萬(wàn)年，最終減速到“死亡”并進(jìn)入脈沖星墓地。
但是，如果脈沖星位于恒星伴星附近，它可能會(huì)被“回收”，這意味著它從鄰居那里吸取物質(zhì)和能量，將其自旋增加到每秒數(shù)百次 - 從而產(chǎn)生毫秒脈沖星，并賦予曾經(jīng)死亡的脈沖星新的生命。這種變化可能發(fā)生在脈沖星生命中的任何時(shí)間，這意味著“垂死”脈沖星的旋轉(zhuǎn)速度可以在數(shù)百到數(shù)百萬(wàn)年內(nèi)增加。脈沖星開始發(fā)射X射線，這對(duì)物體被稱為“低質(zhì)量X射線雙星”，Ransom說。（這些同類相食的脈沖星被稱為“黑寡婦”脈沖星或“紅背”脈沖星，指的是已知會(huì)殺死同伴的兩種蜘蛛）。毫秒脈沖星是已知最古老的脈沖星 - 有些已經(jīng)有數(shù)十億年的歷史，并且將繼續(xù)以這種高速率旋轉(zhuǎn)數(shù)十億年。
脈沖星并不是宇宙中子星的唯一極端例子。磁星是一種中子星，被認(rèn)為擁有宇宙中最強(qiáng)大的磁場(chǎng)。