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2002
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  碧声1968年2月，英国《自然》杂志刊载了一条激动人心的消息，以至于全世界的报纸都来报道说，英国剑桥大学的天文学家接收到了来自宇宙空间的无线电信号。有些传媒还毫不客气地指出，这些信号来自另一个文明世界。一时间，“小绿人”（人们根据科幻小说给外星人起的别号）成为最热门的话题，很多人以为人类苦苦等待的外星智慧生命终于出现了。 很可惜，这种有规律的无线电信号并非“小绿人”在试图与我们沟通。它的确是天文学家正在等待的某种东西，但与外星人无关，而是来自一种物理学家早在30年前就预言其存在的天体：中子星。其密度极其巨大，自转极其迅速，由于发出有规律的射电辐射，在刚刚被发现、尚未确认其实质时，它被称为“脉冲星”。 当时，休伊什指导的一位博士研究生J·贝尔，负责查看这些纸带并写出汇报。观测开始后一个多月，贝尔就发现纸带上的记录曲线有时会出现某种异象，它既不像一个闪烁的射电源，也不像人为的无线电干扰，显然来自地球之外。1967年11月底，贝尔对这种特殊信号进行了仔细观察。她发现，这种信号由一系列脉冲组成，而且相邻脉冲的时间间隔相等，为1.337秒，非常有规律。 贝尔把这件事向休伊什报告，后者大感兴趣，立即认为这种信号只能是人为现象，有可能是来自地球之外的另一文明世界。在当时情况下，此种判断看上去颇有道理。这不免使休伊什师徒二人有些慌乱：如果真是外星智慧生命发来的信号，那这一发现就太重大了！如何向世界公布这一消息，须得十分慎重。 休伊什领导的研究小组对此事进行了仔细讨论，暂时未得出结果，贝尔继续去研究观测纸带。她意外地发现，在与第一个信号源完全不同的天区，也有类似信号传来，同样是脉冲波的形式，相邻时间间隔为1.2秒。有了这个新发现，休伊什和贝尔就不敢相信自己先前的判断了：茫茫宇宙中相隔很远的地方，居然会有两批“小绿人”选用完全相同的方式、同样奇怪的频率来与地球这样一颗微不足道的行星进行通讯联系，这种可能性实在太小。再说，脉冲信号保持严格相等的时间间隔，作为联络讯号，未免太单调了一些。 不久，贝尔又发现了两个类似的信号源。这表明，这种信号更有可能是来自某种天体的运动，而非外星人的联络讯号。因此，休伊什摒弃了原先的观点，提出这种天体可能是一种脉动着的恒星，在不断地膨胀、收缩或变形，每一次脉动都对应着一次能量爆发。根据他的说法，这种天体被称为“脉冲星”——后来人们才知道这个名字并不确切，不过也就这么叫下去了。 休伊斯和贝尔在《自然》杂志上公布此发现时态度较为谨慎，不过文章中也提到他们原先猜想这种信号来自外星人。于是，巴不得有爆炸性消息的媒体抓住这一点大加炒作，不免又让爱幻想的公众空欢喜一场。 根据一个脉冲内部强度变化的快慢，我们可以对产生该脉冲的天体大小进行某种推断。由于来自天体不同部位的光线到达地面观测者的时间有差异，因此我们能观测到的脉冲信号比原来的信号模糊，脉动时间比实际时间要长。如果来自某天体的射电信号强度在万分之一秒内有显著变化，我们就可以断定，该天体的尺寸不可能比光线在这段时间内走过的路程（即30公里）更大，否则变化的信号就会因时间拖长而变得模糊。 由于所有脉冲星的脉冲信号结构都精细到能在万分之几秒内发生显著变化，那么脉冲星的尺度至多不能超过几百公里。与我们以往所知的天体相比，它实在是太小了。恒星中的“小矮子”白矮星地直径有几万公里，连地球这样一颗行星的直径也有13，000公里，只有小行星大小的脉冲星，决不可能是普通的脉动恒星。事实上，把脉冲结构进行更精细的分析就可发现，其强度变化最快可以达到百万分之一秒以下，相应天体直径最多只有250米。即使跟小行星相比，它也小得有些过分。 中国古代天文学家记录过一颗著名的超新星，即1054年金牛座的“客星”。蟹状星云就是那颗超新星爆发后的余迹。1968年，天文学家在蟹状星云的方向发现了周期为0.03秒的脉冲星信号。这位千年前的来客是否与脉冲星有关？这片星云里的某些星体天体是否有一颗就是脉冲星？除了射电波，脉冲星是否也发出可见光辐射，只是用以往的手段看不出其光变，使它看上去像普通的恒星？ 1968年11月，两位年轻的美国天文工作者W·科克和M·迪斯尼，向亚利桑那州斯蒂沃德天文台的90厘米反射式望远镜申请了3个观测夜。他们缺乏天文观测经验，进行这次观测的目的只是熟悉一下望远镜。 在确定观测对象时，由于看到美国《科学》杂志上关于蟹状星云脉冲星的报道，他们便决定用分配到的观测时间来观测蟹状星云脉冲星的可见光辐射。另一位研究人员D·泰勒带来了一套能记录可见光脉冲的电子仪器，参与他们的搜索。1969年1月，观测正式开始，他们发现的确有一颗星正准确地以蟹状星云脉冲星的周期发射可见光脉冲。第一颗光学脉冲星，便这样偶然地被发现了。 此后，寻找其它可见光脉冲星的努力一无所获，这让人们觉得，恒星发生超新星爆发，产生了脉冲星。开始时，它们“脉动”得比蟹状星云脉冲星还要快，且既发出射电脉冲，也发出可见光脉冲。随着岁月流逝，脉冲节律不断变慢。大约在爆发后1000年，脉冲周期变到和蟹状星云脉冲星那样，再过许多年，就变成和船帆脉冲星那样。随着脉冲周期变长，其可见光也变得愈来愈暗。后来，它的周期增加到1秒以至更长，可见光脉冲早已消失，但射电辐射还能探测到。因此，只有这两个周期极短的脉冲星才能在可见光范围内看见，它们属于最年轻的一批脉冲星，超新星的爆云残烟还历历在目。而那些古老的脉冲星早就失去了其可见光辐射，根本就看不见了。 可是，脉冲星究竟是什么？一颗恒星在巨大的爆发中结束其生命后，剩下的东西是什么？按照推算，产生脉冲星辐射的空间范围一定是非常小的。在这么小的空间里产生如此强烈、快速的辐射，而且脉冲重复得如此精确，到底是一种什么机制？ 脉冲星真的像休伊什最初为它命名时，是一种胀缩得很快的恒星，即脉动变星吗？如果是这样，它们的密度一定非常巨大，因为只有这样，其振荡周期才能很短。我们知道，典型的变星如造父变星的周期是几天，脉动最快的变星周期也有数十秒。而最慢的脉冲星周期也只有4、5秒，有的甚至能在百分之几秒内振荡。不要说普通的变星，当时人们已知的密度最大的恒星——白矮星，也做不到这一点。 是否还存在密度更大的恒星，使得密度已经是每立方厘米好几吨的白矮星，与之相比也是小巫见大巫？ 1939年，美国物理学家J·奥本海默和G·沃尔科夫在美国《物理评论通讯》杂志上发表论文，详细探讨了中子星的特性，指出这种恒星具有极高的表面温度，释放出大量的X射线。 从中子星模型中我们可以看到，如果太阳变成一颗中子星，其直径将不超过30公里。你可以把它看作一个巨大的原子核，原子量高达10 在白矮星脉动不足以解释脉冲星时，人们想到，脉冲星是不是脉动的中子星呢？计算表明，如果让中子星不断膨胀收缩地脉动起来，确有可能释放出有规律的脉冲信号，但频率应当比脉冲星快得多。所以，中子星的振荡，也不是解决脉冲星身份问题的答案。 60年代末，发现脉冲星的新闻已传遍世界，各种学术刊物充斥着从各种角度用脉动假说解释脉冲星的论文。这时，美国天文学家汤米·戈尔德提出，既然理论和实际中的各种天体都无法以脉冲星的周期脉动，我们应当放弃脉动想法，从另一角度寻求脉冲信号的来源。 天上最有规律的周期过程，其实并非恒星不断胀缩或变形的脉动，而是天体的转动。太阳每27天自转一周，有的恒星转得比这快得多。可以设问，脉冲星这样有规律的周期，是否也与某种自转过程有关？如果这样，产生脉冲的天体大多须在1秒内转动1周，蟹状星云脉冲星1秒要自转30周。 对于普通的恒星，自转速度是有限度的，转得太快的话，它就会被离心力撕裂。只有那些表面重力非常巨大——也就是密度很大的恒星才能绕本身的轴急速自转。白矮星1秒大概可以转1周，如果让它以蟹状星云脉冲星的速度去自转，也要吃不消的，离心力早就把它扯碎了。只有密度更大的恒星，才能这样快地自转。那么，中子星是否能做到这一点呢？ 完全可能。计算表明，中子星的重力足够大，足以在几分之一、几十分之一秒内自转一周，哪怕还要比这快得多也行。因此，天体物学界人士目前公认，戈达德把脉冲星解释为自转的中子星，是较为合理的说法。 这一理论的提出，不仅基本解决了脉冲星的身份问题，也证实巴德等人预言的一种全新的、由超密态物质构成的恒星的存在。这是20世纪天体物理学的一项重大成就。 中子星可能类似于我们地球，具有磁场，而且磁场强度远比地球强得多。假设其磁轴与自转轴不一致（这是完全可能的，地球就是这样），中子星在自转时，带动其磁场一起转，不妨这样设想：在自转的磁化中子星表面，中子转化成电子和质子，表面的强电场足以将这些带电粒子抛离中子星。其中运动最快的是电子，它们沿弯曲的磁力线飞向空中，发射出的巨大能量足以使蟹状星云在诞生后千余载仍靠着这些电子在发光。 因此，中子星释放的能量并不均匀，而是高度集中在电子的飞行方向，即磁轴所在方向的两个锥状空间——相当于灯塔的光柱——之中。磁轴转动时，远方的观测者就只能在碰巧被两锥之一扫到时才能接收到辐射，在他看起来，中子星的辐射就是一闪一闪的，呈很有规律的周期性。 人们对蟹状星云脉冲星的周期进行了仔细研究，结果发现，果如预言的那样，其自转速度正在减慢，周期每天增加10亿分之36.48秒。在其它脉冲星中也发现了这种现象。这从另一方面证实，脉冲星是自转中子星的说法是合理的。 有时候脉冲星会突然稍微加快自转周期，然后又恢得减慢的趋势。1968年以来，天文学家在蟹状星云脉冲星和船帆脉冲星中，都发现了这种现象。周期为0.08920930095秒的船帆脉冲星，在1969年2月24日至3月3日，周期突然缩短了0.000000134秒，类似的情况此后还发生过几次。蟹状星云脉冲星也发生过这种现象。 一些科学家认为，中子星自转加快，是由突如其来的“星震”造成的。核物理学家比天文学家更善于同中子打交道，他们认为，中子星表面已形成硬壳，在中子星的冷却过程中，这硬壳有时会碎裂。此时如果中子星再稍为收缩，其自转速度就会突然加快。地球上的地震——地壳的较大震动——也会影响地球的自转周期，中子星上可能也存在着类似现象。 其它还有观点认为，这是由于中子星向外抛射大量等离子体，或者外部物质与中子星相撞。另一种说法是，中子星内部存在一种超流中子，它们在靠近星核附近比外部转动得更快，这些中子流向外部区域时，就会使自转突然加快。相对而言，目前星震说较占优势。 1974年，科学家发现了一颗特别的脉冲星，其周期为59毫秒，自转速度相当快。最要紧的是，它的脉冲时间间显然不等，而呈相互挤紧——分开的周期性变化，这种变化每天约重复三周。 比较合理的解释是，这颗中子星正绕另一天体运转，不过人们一直未发现作为运转中心的这个天体——这也并不奇怪，因为脉冲星的轨道太窄小，给那个未知天体留下的地盘实在太小了。它不可能是一颗普通恒星，或许是一颗白矮星或另一颗中子星。 此后，人们又在一些双星系统中发现了脉冲星，其中有些脉冲星的伴侣可能是太阳一样的普通恒星。看来它很好地经受住了形成脉冲星的超新星爆发，没有一同毁灭，实在很了不起。 随着伽马射线天文学的发展，人们又发现，有一批脉冲星在发射伽马射线脉冲。由于伽马射线具有巨大的能量，看起来似乎脉冲星发出的辐射中，伽马射线是主流，而吸引人们注意脉冲星的射电辐射只是微不足道的支流，就像炸弹的巨响只是爆炸事件无关紧要的枝节一样。对于伽马射线的来源，我们尚不了解。 目前，脉冲星还有另一方面令天文学家不安。根据已发现的脉冲星估计，我们银河系中现在处于活跃阶段的脉冲星可能多达100万颗。问题是，根据银河系中超新星爆发的频率来看，似乎远不足以产生这么多脉冲星。这是否意味着脉冲星还会以别的方式形成？或许它们中间有一些并非形成于恒星死亡时的爆炸，而是由某种相对和平的方式诞生的。 1982年11月，一个激动人心的新闻传扁了天文学界：5位天文学家用波多黎各的射电望远镜发现了一颗新的脉冲星，它打破了一向由蟹状星云脉冲保持的自转最快记录，每秒自转快达642周。这颗星可能比大多数脉冲星都小，直么大约不会超过5公里，而质量可能是太阳的2倍和3倍。此外，其引力场也必定非常强，使它转得这么急还居然没有溃散。即使是中子星，好像也不容易做到这一点。 这颗脉冲星另一个令人困惑的地方是，它的飞速自转必定会消耗巨大的能量，使其周期逐渐减缓，然而观测到的周期减缓速度比理论值要小得多。此后又发现了第二颗这样的快脉冲星，科学家正忙于探究它存在的原因。 1974年，休伊什因为发现脉冲星而获得诺贝尔物理学奖。虽然他起的“脉冲星”这个名字完全名不符实，但一直沿用了下来。Ｊ·贝尔榜上无名，此后科学界一直有人为她打抱不平。联想起在熟悉望远镜时发现第一颗可见光脉冲星的三位年轻人，我们不禁要想，命运中重大的得与失，颇多偶然。 |
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