脉冲星(脉冲星热成像)

2023-03-04 15:15:22 发布:网友投稿作者：网友投稿

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脉冲星强磁场的快速自转中子星

脉冲星（Pulsar），就是旋转的中子星，因不断地发出电磁脉冲信号而得名。脉冲星是在1967年首次被发现的。当时，还是一名女研究生的贝尔，发现狐狸星座有一颗星会发出一种周期性的电波。经过仔细分析，科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号，就把它命名为脉冲星。

2021年5月20日，国家天文台研究团队利用中国天眼FAST望远镜在观测中取得的重要进展，正式发布了201颗新脉冲星的发现。

2021年12月20日，2021年度FAST运行和发展中心年终总结会在贵州省平塘县中国天眼(FAST)观测基地举行。 FAST已发现509颗脉冲星，是世界上所有其他望远镜发现脉冲星总数的4倍以上。截至2022年8月，FAST已发现的脉冲星超660颗。

中文名

脉冲星

外文名

Pulsar

发现时间

特性

脉冲星

脉冲星（Pulsar），又称波霎，是中子星的一种，能够周期性发射脉冲信号，直径大多为10千米左右，自转极快。

人们最早认为恒星是永远不变的。而大多数恒星的变化过程是如此的漫长，人们也根本觉察不到。然而，并不是所有的恒星都那么平静。后来人们发现，有些恒星也很“调皮”，变化多端。于是，就给那些喜欢变化的恒星起了个专门的名字，叫“变星”。

脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。一开始，人们对此很困惑，甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说，第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。

经过几位天文学家一年的努力，终于证实，脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且，正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。

正如地球有磁场一样，恒星也有磁场；也正如地球在自转一样，恒星也都在自转着；还跟地球一样，恒星的磁场方向不一定跟自转轴在同一直线上。这样，每当恒星自转一周，它的磁场就会在空间划一个圆，而且可能扫过地球一次。那么岂不是所有恒星都能发脉冲了？其实不然，要发出像脉冲星那样的射电信号，需要很强的磁场。而只有体积越小、质量越大的恒星，它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星。

另一方面，当恒星体积越小、质量越大，它的自转周期就越短。我们很熟悉的地球自转一周要二十四小时。而脉冲星的自转周期竟然小到0.0014秒！要达到这个速度，连白矮星都不行。这同样说明，只有高速旋转的中子星，才可能扮演脉冲星的角色。

脉冲星发射射电脉冲

这个结论引起了巨大的轰动。因为虽然早在30年代，中子星就作为假说而被提了出来，但是一直没有得到证实，人们也不曾观测到中子星的存在。而且因为理论预言的中子星密度大得超出了人们的想象，在当时，人们还普遍对这个假说抱怀疑的态度。

脉冲星及其伴星

直到脉冲星被发现后，经过计算，它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样，中子星才真正由假说成为事实。这真是上世纪天文学上的一件大事。因此，脉冲星的发现，被称为二十世纪六十年代的四大天文学重要发现之一。

脉冲星是20世纪60年代天文的四大发现之一。至今，脉冲星已被我们找到了不少于1620多颗，并且已得知它们就是高速自转着的中子星。

脉冲星有个奇异的特性——短而稳定的脉冲周期。所谓脉冲就是像人的脉搏一样，一下一下出现短促的无线电讯号，如贝尔发现的第一颗脉冲星，每两脉冲间隔时间是1.337秒，其他脉冲还有短到0.0014秒（编号为PSR-J1748-2446）的，最长的也不过11.765735秒（编号为PSR-J1841-0456）。那么，这样有规则的脉冲究竟是怎样产生的呢？

天文学家已经探测、研究得出结论，脉冲的形成是由于脉冲星的高速自转。那为什么自转能形成脉冲呢？原理就像我们乘坐轮船在海里航行，看到过的灯塔一样。设想一座灯塔总是亮着且在不停地有规则运动，灯塔每转一圈，由它窗口射出的灯光就射到我们的船上一次。不断旋转，在我们看来，灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样，当它每自转一周，我们就接收到一次它辐射的电磁波，于是就形成一断一续的脉冲。

脉冲这种现象，也就叫“灯塔效应”。脉冲的周期其实就是脉冲星的自转周期。然而灯塔的光只能从窗口射出来，是不是说脉冲星也只能从某个“窗口”射出来呢？正是这样，脉冲星就是中子星，而中子星与其他星体（如太阳）发光不一样，太阳表面到处发亮，中子星则只有两个相对着的小区域才能辐射出来，其他地方辐射是跑不出来的。即是说中子星表面只有两个亮斑，别处都是暗的。这是什么原因呢？原来，中子星本身存在着极大的磁场，强磁场把辐射封闭起来，使中子星辐射只能沿着磁轴方向，从两个磁极区出来，这两磁极区就是中子星的“窗口”。

脉冲星

中子星的辐射从两个“窗口”出来后，在空中传播，形成两个圆锥形的辐射束。若地球刚好在这束辐射的方向上，我们就能接收到辐射，且每转一圈，这束辐射就扫过地球一次，也就形成我们接收到的有规则的脉冲信号。灯塔模型是现在最为流行的脉冲星模型。另一种磁场震荡模型还没有被普遍接受。

脉冲星是高速自转的中子星，但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时，我们就接收不到脉冲信号，此时中子星就不表现为脉冲星了。

脉冲星的一般符号是PSR。例如，第一个脉冲星就记为PSR1919+21。 1919表示这个脉冲星的赤经是19小时19分;+21表示脉冲星的赤纬是北纬21度。

双脉冲星PSRJ0737-3039A/B的发现，让人们欣喜若狂。它是由两个脉冲星形成的双星系统。能够发现双脉冲星系统，确实是非常幸运的事情。对PSRJ0737-3039A进行计算以后，科学家预言它的脉冲轮廓形状会发生较快的演化，甚至预言在2020年左右，它的光束会由于轴线进动而从我们的视线中消失，但是，仔细的观测结果显示，预期的脉冲轮廓形状根本就没有发生变化，这对科学家的打击可是不小。预言的失败让我们感到，脉冲星的灯塔模型似乎存在着问题。

锥形扫射1968年有人提出脉冲星是快速旋转的中子星。中子星具有强磁场，运动的带电粒子发出同步辐射，形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合，每当射电波束扫过地球时，就接收到一个脉冲。

脉冲星2009-PSR004

恒星在演化末期，缺乏继续燃烧所需要的核反应原料，内部辐射压降低，由于其自身的引力作用逐渐坍缩。质量不够大(约数倍太阳质量)的恒星坍缩后依靠电子简并压力与引力相抗衡，成为白矮星，而在质量比这还大的恒星里面，电子被压入原子核，形成中子，这时候恒星依靠中子的简并压与引力保持平衡，这就是中子星。

典型中子星的半径只有几公里到十几公里，质量却在1-2倍太阳质量之间，因此其密度可以达到每立方厘米上亿吨。由于恒星在坍缩的时候角动量守恒，坍缩成半径很小的中子星后自转速度往往非常快。又因为恒星磁场的磁轴与自转轴通常不平行，有的夹角甚至达到90度，而电磁波只能从磁极的位置发射出来，形成圆锥形的辐射区。

此外在持脉冲星便是中子星的证据中，其中一个便是我们在蟹状星云（M1；原天关客星，SN1054）确实也发现了一个周期约0.033s的波霎。

脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量，因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢，以致于信号周期的精确度能够超过原子钟。而从脉冲星的周期就可以推测出其年龄的大小，周期越短的脉冲星越年轻。

脉冲星的特征除高速自转外，还具有极强的磁场，电子从磁极射出，辐射具有很强的方向性。由于脉冲星的自转轴和它的磁轴不重合，在自转中，当辐射向着观测者时，观测者就接收到了脉冲。到1999年，已发现1000颗脉冲星。

毫秒脉冲星（Millisecondpulsar）

20世纪80年代，由发现了一类所谓的毫秒脉冲星，它们的周期太短了，只有毫秒量级，之前的仪器虽然能探测到，但是很难将脉冲分辨出来。研究发现毫秒脉冲星并不年轻，这就对传统的“周期越短越年轻”的理论提出了挑战。进一步的研究发现毫秒脉冲星与密近双星有关。

著名的脉冲星

人类发现的第一颗脉冲星：PSR1919+21，也就是上文贝尔小姐发现的那颗脉冲星，位于狐狸座方向，周期为1.33730119227秒。

人类发现的第一颗脉冲双星：PSRB1913+16

人类发现的第一颗毫秒脉冲星：PSRB1937+21

人类发现的第一颗带有行星系统的脉冲星：PSRB1257+12

人类发现的第一颗双脉冲星系统：PSRJ0737－3039

脉冲原因

尽管还没有十分有力的证据，但是全世界的脉冲星专家都相信，脉冲星并非或明或暗地闪烁发光，而是发射出恒定的能量流。只是这一能量就像手电筒的光线那样汇聚成一束非常窄的光束，从星体的磁极发射出来。中子星的磁轴与旋转轴之间成一定角度（这与地球的磁北极地理北极位置略有不同一样）。星体旋转时，这一光束就象灯塔的光束或救护车警灯一样，扫过太空。只有当此光束直接照射到地球时，我们才能用某些望远镜探测到脉冲星的信号。这样一来，恒流的光束就变成了脉冲光。

几乎所有的专家都相信上述这种灯塔模型。但是也有“离经叛道”的不同意见被提了出来。新的观点认为脉冲星的发光不是源自它的磁极，而是来自它的周围。同时认为，脉冲星发出脉冲光是因为它的磁场在高速地翻转振荡，激变的磁场造成星体周围出现了极高的感生电场。这个感生电场的峰值出现在磁场过零点附近，并且加速带电粒子使其发出同步辐射。这就可以解释脉冲信号的产生机理。

磁场振荡模型的优点在于有太阳这个低频振荡的样板。我们知道，太阳磁场的方向每过11年就会翻转一次，如果太阳塌缩成了中子星，它的自转周期可以缩短到秒级甚至毫秒级，同时，它的磁场翻转周期也可能达到毫秒级。电磁振荡模型遇到的问题在于如下疑问：星体的磁场真的能那么快地翻转吗？当然，灯塔模型也有它的问题：磁铁高速旋转的时候，真的能从磁极发光吗？

脉冲信号的辐射，曾经被认为是中子星的极端磁场的特有行为。但是后来人们发现，在某些主序星上，比如超冷星TVLM513-46546和化学特殊星CUVirginis，都发现了非常相似的脉冲辐射，而这些星体的磁场都很低（数千高斯）。这对磁场震荡模型是有利的。因为磁场震荡模型降低了对磁场强度的要求。绝大多数的脉冲星可以在射电波段被观测到。少数的脉冲星也能在可见光、X射线甚至γ射线波段内被观测到，例如著名的蟹状脉冲星就可以在射电到γ射线的各个波段内被观测到。

发现

一颗年轻脉冲星

1967年10月，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什教授的研究生——24岁的乔丝琳·贝尔检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，为1.337秒。起初她以为这是外星人“小绿人（LGM）”发来的信号，但在接下来不到半年的时间里，又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是一类新的天体，并把它命名为脉冲星(Pulsar，又称波霎)。

脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。安东尼·休伊什教授本人也因脉冲星的发现而荣获1974年的诺贝尔物理学奖，尽管人们对贝尔小姐未能获奖而颇有微词。

1997年拍摄的美国电影《超时空接触》（Contact）中女主角破译了来自外太空的有规律的信号，并据此制成了特殊的机器。但第一次确定乘坐机器与外星智慧联系的人选时，却没有选她。这段情节被认为是影射了贝尔小姐没有获得诺贝尔奖的事情。

15岁女生发现新脉冲星

一名西维吉尼亚的高中学生，使用来自绿湾射电天文望远镜（RobertC.ByrdGreenBankTelescope，简写GBT)的数据，发现了一个新脉冲星。

ShayBloxton，15岁，参与了一个让学生分析射电望远镜数据的项目，于2009年10月15日发现了一个可能是脉冲星的天体。她和NRAO天文台的天文学家在一个月后再次观察了该天体，证实它确实是一颗脉冲星。 Bloxton表示十分兴奋，她在11月份前往绿湾，参加跟踪观察。她所参与的项目叫PulsarSearchCollaboratory(PSC)，是美国国家射电天文台和西维吉尼亚大学的联合项目。

科学家首次发现脉冲星是在1967年。去年末，另一名来自SouthHarrison高中的西维吉尼亚学生，也在参与PSC项目时发现了一个类似脉冲星的天体。

2021年5月7日报道，基于“中国天眼”的观测，中国科研人员首次找到了脉冲星三维速度与自转轴共线的证据，标志着天文学家开始利用该望远镜深度研究脉冲星。

2021年5月20日，国家天文台研究团队利用中国天眼FAST望远镜在观测中取得的重要进展，正式发布了201颗新脉冲星的发现。

“中国天眼”已发现500多颗新脉冲星

2021年12月15日，自2017年10月10日首次对外宣布发现脉冲星以来，截至目前，被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜已发现500余颗新脉冲星。

命名规则

脉冲星的命名由脉冲星英文pulsar的缩写PSR加上其赤经赤纬坐标组成。如PSRB1937+21，1937是指该脉冲星位于赤经1937，+21是指其位于赤纬+21°，B意味着赤经赤纬值是归算到历元1950年的值。此外，J则表示赤经赤纬值是归算到历元2000年的值。

行星

也就是在这一天，也就是在这次会议上，还有另一个人，也准备了相似的发言，他也是一位脉冲星观测者，他的名字叫做亚历克斯·沃尔兹坎。

但与林恩不同的是，他的证据确确实实地表明，有一颗脉冲星不仅只被一颗行星所环绕，而是具有一整套行星系统！发言之前，沃尔兹坎有些忐忑不安，因为林恩的认错无疑更加强化了一种根深蒂固的观念；“脉冲星不可能有行星环绕”。不过这一次，事实证明沃尔兹坎是对的，他不仅发现了脉冲星的“摇摆”，而且计算出有3颗行星在围绕这颗脉冲星运行，并且这些行星每200天就相会一次，每一次其中两颗较大的行星都会相互影响对方，这样就使它们的轨道发生一些微妙的改变。正是这些改变，使他发现了这颗脉冲星拥有行星的秘密。

脉冲星的行星就是这样被发现了，而且它还是一个完整的行星系统，但是这个时候，那些猎星人连一个太阳系以外的行星也没有找到，这样的发现让猎星人感到十分困惑，因为脉冲星具有行星，这是天文学家过去没有想到的。脉冲星是爆发过的中子星，他怎么可能会有行星呢？

第一个日外行星系统就是这样被发现了，由于它不符合现代的天文学理论，这个发现总是让人感到有些意外。

脉冲双星

脉冲星拥有行星的发现虽然看起来显得意外，在这方面还有更加意外的发现，那就是脉冲双星。

赫尔斯是个研究生，他被当作泰勒的助手派往波多黎各的阿雷西博，用大射电望远镜观测脉冲星，那是当时最好的射电望远镜，也许正是使用了这个望远镜的原因，他发现了一种奇怪的电波，这个时候距离第一颗脉冲星的发现仅仅过了七年，人们对脉冲星的了解还很肤浅，当时赫尔斯还不能立刻确信他所看到的周期变化就是事实，经过反复观测后，他才确定该系统是双体。他把这个消息电告泰勒，泰勒立刻赶往阿雷西博，他们进一步研究后认为这是一个脉冲双星，并且一起确定了双星的周期和两颗天体之间的距离。

于是，第一颗脉冲双星就是这样被发现了，这个发现在1993年被授予诺贝尔奖，这样有关脉冲星的发现就有了两项诺贝尔奖。

双脉冲星

2003年12月，Nature上的一篇研究报告宣布发现了脉冲星PSRJ0737-3039，与看起来像是一颗中子星的恒星成对出现。一个月后，当来自澳大利亚Parkes天文望远镜的数据被重新分析时，研究人员发现该中子星实际上也是另一颗脉冲星。所以这是第一个被发现的双脉冲星体系，名称是PSRJ0737-3039A/B。

脉冲双星与双脉冲星

脉冲双星与双脉冲星是有区别的。在脉冲双星系统中，一个脉冲星与另外一个非脉冲星（可以是中子星、白矮星、甚至是普通的主序星）相伴。在双脉冲星系统中，必须是两个脉冲星相伴。已经发现的脉冲双星系统已经有120个，而发现的双脉冲星系统只有一个PSRJ0737-3039A/B。

研究意义

由于脉冲星是在蹋缩的超新星的残骸中发现的，它们有助于我们了解星体蹋缩时发生了什么情况。还可通过对它们的研究揭示宇宙诞生和演变的奥秘。而且，随着时间的推移，脉冲星的行为方式也会发生多种多样的变化。

每颗脉冲星的周期并非恒定如一。我们能探测到的是中子星的旋转能（电磁辐射的来源）。每当脉冲星发射电磁辐射后，它就会失去一部分旋转能，且转速下降。通过月复一月，年复一年地测量它们的旋转周期，我们可以精确地推断出它们的转速降低了多少、在演变过程中能量损失了多少，甚至还能够推断出在因转速太低而无法发光之前，它们还能生存多长时间。

事实还证明，每颗脉冲星都有与众不同之处。有些亮度极高；有些会发生星震，顷刻间使转速陡增；有些在双星轨道上有伴星；还有数十颗脉冲星转速奇快（高达每秒钟一千次）。每次新发现都会带来一些新的、珍奇的资料，科学家可以利用这些资料帮助我们了解宇宙。

发现者

乔斯林·贝尔·博内尔与1974年诺贝尔物理学奖无缘

博内尔是安东尼·休伊什（AntonyHewish）的研究生，正是她首次发现了脉冲星。 1968年，她和休伊什联名在《自然》杂志上公布了这一发现。 1973年，她们又共同得到了美国富兰克林管理研究院颁发的迈克尔逊奖章。遗憾的是，就在1974年，当诺贝尔奖第一次授予天文学家时，博内尔的导师休伊什以及同事马丁·赖尔都榜上有名，但她自己却被拒在诺贝尔的殿堂之外。许多天文学家对此表示了愤怒，但也有人认为博内尔仅仅是做了收集数据的工作，而休伊什对数据的解释才是关键。博内尔从来没有去争论自己的落选，但绝大多数的报告都显示，她所做的绝非仅仅是进行早期的观察。