第4257回：引力坍缩生中子星，贝尔无意见脉冲星

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第4257回：引力坍缩生中子星，贝尔无意见脉冲星

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中子星是恒星演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢、氦、碳等元素于核聚变反应中耗尽，当它们最终转变成铁元素时便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压强支撑的外围物质受重力牵引会急速向核心坠落，有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸，或者根据恒星质量的不同，恒星内部区域被压缩成白矮星、中子星或黑洞。

若是白矮星被压缩成中子星，过程中恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子，直径大约只有十余公里，但上面一立方厘米的物质便可重达十亿吨，且旋转速度极快。由于其磁轴和自转轴并不重合，磁场旋转时所产生的无线电波等各种辐射可能会以一明一灭的方式传到地球，有如人眨眼，此时称作脉冲星。

一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.35到2.1倍，半径则在10至20公里之间（质量越大半径收缩得越小），也就是太阳半径的30,000至70,000分之一。因此，中子星的密度在每立方公分8×1013克至2×1015克间，此密度大约是原子核的密度。

致密恒星的质量低于1.44倍太阳质量，则可能是白矮星，但质量大于奥本海默-沃尔可夫极限（3.2倍太阳质量）的恒星会继续发生引力坍缩，则无可避免的将产生黑洞。

由于中子星保留母恒星大部分的角动量，但半径只是母恒星极微小的量，转动惯量的减少导致转速迅速的增加，产生非常高的自转速率，周期从毫秒脉冲星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有强大的表面重力，强度是地球的2×1011到3×1012倍。逃逸速度是将物体由重力场移动至无穷远的距离所需要的速度，是测量重力的一项指标。

一颗中子星的逃逸速度大约在10,000至150,000公里每秒之间，也就是可以达到光速的一半。换言之，物体落至中子星表面的速度也将达到150,000公里每秒。更具体的说明，如果一个普通体重（70公斤）的人遇到中子星，他撞击到中子星表面的能量将相当于二亿吨TNT当量的威力（四倍于全球最巨大的核弹大沙皇的威力）。

1932年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的詹姆斯·查德威克发现中子（因此获得1935年的诺贝尔物理学奖）。苏联著名物理学家列夫·朗道当时正在丹麦著名物理学家波尔那里访问，参加了波尔召集的新发现的中子的讨论。讨论会上，朗道敏锐地推断如果恒星质量超过钱德拉塞卡极限，也不会一直塌缩下去，因为电子会被压进氦原子核中，质子和电子将会因引力的作用结合在一起成为中子。

中子和电子一样，也是遵循泡利不相容原理的费米子，因此这些中子在一起产生的“中子简并压”力，可以抗衡引力使得恒星成为密度比白矮星大得多的稳定的中子星。但朗道的想法并没有发表。1934年，美国威尔逊山天文台工作的沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基发表文章称，中子简并压力能够支持质量超过钱德拉塞卡极限的恒星，预言中子星的存在。为寻找超新星爆炸的解释，他们提议中子星是超新星爆炸后的产物。

超新星是突然出现在天空中的垂死恒星，在出现后的几天或整个星期内，在可见光的亮度上可以超越整个星系。巴德和茨威基正确的解释产生中子星时释放出的重力束缚能，供给超新星的能量：“在超新星形成的过程中大量的质量被湮灭”。

如果在中心的大质量恒星在他崩溃之前的质量是太阳质量的3倍，那么在中心可能形成一颗2倍太阳质量的中子星。被释放出来的束缚能（E等于 mc2）相当于一个太阳的质量全数转化成能量，这足以作为超新星最后的能量来源。

第二次世界大战爆发前不久，美国物理学家罗伯特·奥本海默和乔治·沃尔科夫提出系统的中子星理论，认为在质量与太阳相似的恒星内部可以达到简并中子的流体静力学平衡，但是并没有引起天文学界的重视。

1965年，英国射电天文学家安东尼·休伊什和Samuel Okoye在公元1054年的超新星（天关客星）爆炸后的残骸“蟹状星云”发现一个异于平常的高电波亮度温度源。

1967年，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什学生乔丝琳·贝尔发现1.337秒有规律的无线电脉冲，人们将这一类新天体称为“脉冲星”，并且确认它们就是30年前朗道预言的中子星，发出的脉冲是中子星快速旋转的结果。

1968年有人提出脉冲星是快速旋转的中子星。

1969年，在1054年超新星爆发的残骸蟹状星云中，发现了一颗射电脉冲星（中子星），证明了脉冲星、中子星和超新星之间的关系。

1971年，里卡尔多·贾科尼等人发现半人马座的X射线源半人马座X-3具有4.8秒的周期，他们解释这是一颗炙热的中子星环绕者另一颗恒星的结果，能量来源是持续不断掉落至中子星表面的气体释放出的引力势能。这是第一颗证认的X射线双星。

1974年，安东尼·休伊什因为在脉冲星的发现上所扮演的角色而获得诺贝尔物理学奖，但是共同的发现者Samuel Okoye和乔丝琳·贝尔并未一同获奖。

X-射线爆发–中子星与低质量恒星共同组成的联星，在质量吸积的过程中会造成中子星表面不规则的能量爆发。

脉冲星–一般的说法是由于中子星强大的磁场，使得发射的电磁波随着中子星的自转，以脉冲的形式定期的朝向我们发射。

磁星–磁场特别强大的中子星，有些磁星能够连续的发射软γ射线。当脉冲星被发现之后，快速的脉冲（大约1秒钟，在1960年代的天文学是很不寻常的）被半认真的视为外星高智生命传送来的讯息，随后被半开玩笑的称为小绿人，标示为LGM-1。但在更多的，以不同的自转周期散布在天空各处的脉冲星被发现之后，就迅速的排除了这种可能性。而在发现船帆座脉冲星和超新星残骸的关联性之后，更进一步发现蟹状星云的能量来自一颗脉冲星，不得不令人信服脉冲星就是中子星的解释。

还有另外一种中子星，称作磁星。磁星具有大约1011 特斯拉的磁场，大约是普通中子星的1000倍。这足以在月球轨道的一半距离上擦除地球上的一张信用卡。作为对比，地球的自然磁场是大约6×10－5特斯拉；一小块钕磁铁的磁场大约是1特斯拉；多数用于数据存储的磁介质可以被10-3特斯拉的磁场擦除。

磁星有时会产生X射线脉冲。大约每10年，银河系中就会有某一颗磁星爆发出很强的伽马射线。磁星有比较长的自转周期，一般为5到12秒，因为它们的强磁场会使得自转速度减慢。

中子星大致分成三层，核心部分因压力更大，由超子组成；中间层则是自由中子，表面因中子进行β衰变成电子、质子、中微子。因具有原子核的某些包括密度在内的性质。因此，在流行的科学文献中，中子星有时被称为巨型原子核。然而在其他方面，中子星和真正的原子核是很不一样的。

例如，原子核是靠强相互作用结合在一起，而中子星是靠引力相互作用结合在一起。根据当今主流理论，把它们看作天体会更正确一些。黑寡妇脉冲星（英语：Black Widow Pulsar，编号 B1957+20）是一颗和褐矮星以轨道周期9.2小时互绕组成食双星的毫秒脉冲星，并且每次环绕有约20分钟的恒星食。当该脉冲星于1988年发现时是第一个已知的食双星中的脉冲星。

本系统普遍的理论解释是该系统是褐矮星伴星正被中子星主星极端强大的重力场毁灭中（洛希瓣溢出），因此主星得到了“黑寡妇”的别称。之后，其他类似的天体也被发现，并且由毫秒脉冲星和正被吸收中伴星组成的联星系统也可称为黑寡妇脉冲星。

脉冲星是中子星的一种，为会周期性发射脉冲讯号的星体。

1967年10月，剑桥大学卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）的安东尼·休伊什（Antony Hewish）教授的研究生——24岁的乔丝琳·贝尔·伯奈尔（Jocelyn Bell Burnell）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”。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，尽管人们对乔丝琳·贝尔·伯奈尔未能获奖而颇有微词。

值得一提的是，1967年阿拉斯加弹道导弹预警中心的雷达控制人员也观察到了一些脉冲信号源并确认他们来自天体。这一发现早于剑桥大学的研究人员，但由于军事保密要求，直到21世纪解密之时才被世人所知。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。

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，SN 1054）确实也发现了一个周期约0.033s的脉冲星。

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。20世纪80年代，人们又发现了一类所谓的毫秒脉冲星，它们的周期非常短，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接联星有关。

1974年，美国的拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了第一个脉冲双星系统。它由一颗脉冲星，PSR 1913+16，与一颗中子星构成，轨道周期很短，仅为7.75小时。轨道的偏心率为0.617。当两颗子星相互靠得很近时，极强的引力辐射会导致它们的距离愈加靠近，轨道周期会逐渐变短。通过精确地测量射电脉冲双星轨道周期的变化可以检测引力波的存在，验证广义相对论。赫尔斯和泰勒也因此获得1993年的诺贝尔物理学奖。

2003年4月，研究人员发现PSRJ0737－3039A的周期为22毫秒，并且在有规律地变化。人们认为这是一个罕见的双脉冲星系统，两颗子星都是脉冲星，并且辐射束都扫过地球。观测显示，这对双脉冲星系统的A星是一颗1.337太阳质量的毫秒脉冲星，周期22毫秒，B星是一颗1.251太阳质量的正常脉冲星，周期2.27秒。两颗子星相互环绕的轨道周期仅为2.4小时，轨道偏心率为0.088,平均速度达到0.1%光速。这个双脉冲星系统的发现为检测引力波的存在带来了新的希望。

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PSR B1937+21，1937是指该脉冲星位于赤经19 h 37 m，+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。

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。

乔丝琳·贝尔·伯奈尔女爵士，DBE，FRS，FRSE，FRAS（英语：Dame Jocelyn Bell Burnell， 1943年7月15日－），出生名苏珊·乔丝琳·贝尔（Susan Jocelyn Bell），英国天体物理学家，出生于贝尔法斯特。当她还是研究生时，与安东尼·休伊什一起利用射电望远镜发现了第一颗脉冲星。 她现在是物理研究所的主管。2014年10月起担任爱丁堡皇家学会会长。

关于发现脉冲星的文件共有5个作者，安东尼·休伊什位列第一，约瑟琳·贝尔·伯奈尔列在第二。休伊什博士与马丁·赖尔博士一同被授予诺贝尔物理学奖，但并没有把贝尔作为共同研究者列入诺贝尔奖获奖名单。这引起了争议，遭到了休伊什的同胞——天文学家霍伊尔的谴责。 瑞典科学院在其新闻稿中宣布1974年诺贝尔物理学奖，引用莱尔和休伊什他们在天体物理学的开创性工作，特别提到莱尔对孔径的工作合成技术的支持，和休伊什发现脉冲星上所起的决定性作用。约瑟夫·什克洛夫斯基博士（1972年的布鲁斯奖的获奖者）在1970年国际天文学联合大会时告诉她：“贝尔小姐，你已作出20世纪最伟大的天文发现”。

贝尔出生于北爱尔兰的贝尔法斯特，父亲是附近的一个阿尔马格天文馆的建筑师，她喜欢那里的大型图书馆，并被鼓励在那儿阅读。她特别喜欢有关天文学的书籍。她幼年在卢根生活，并在卢根学院上学。她是最早被允许在这个学院学习科学的女孩之一。在此之前，女孩的课程里有交叉缝纫（应该是十字绣，cross stitch，交叉缝纫是另一种针法）和做饭等日常的工作。11岁时，她没有通过11＋考试，她的父母把她送到约克的蒙特学校，一个贵格会的女子寄宿学校。在那里，她的物理老师Tillott先生给她留下深刻的印象：

你不必学习非常非常多的事实，你只要知道一些关键，当你掌握了它们，你就可以从它们开始发展建构并开始应用。所以我想这只需要少数的脑细胞。他是一个真正的好老师，他告诉了我，物理学其实是多么容易。

乔丝琳·贝尔与马丁·伯尼尔于1968年结婚，并且育有一个儿子——加文·伯尼尔。他生于1973年，也是一个物理学家。他们还有两个孙子。

贝尔于1965年从格拉斯哥大学毕业获得科学学士学位，1969年于剑桥大学纽霍学院（后改名为默里·爱德华兹学院）获博士学位。在剑桥，她与休伊什等人共同建造 利用星际闪烁研究类星体的射电望远镜。在1967年7月，她在跟踪在天空中的星星的图表记录上发现了少许的“浮渣”。贝尔女士发现，脉冲信号非常规律的以约每秒一次的脉冲率跳动。这一脉冲的来源暂时被称为“小绿人1号”（Little Green Man 1，或LGM-1，现在被称为PSR B1919+21），几年后被确认为一个快速旋转的脉冲星。

在完成她的博士学位后，贝尔博士曾在南安普敦大学（1968年至73年），伦敦大学学院（1974年至82年），和爱丁堡皇家天文台（Royal Observatory, Edinburgh）（1982年至91年）工作。此外，1973年至1987年，贝尔博士也是英国公开大学的导师，顾问，考官及讲师。1991年，贝尔博士被任命为公开大学物理系教授，她在这一职位上工作了10年。她也是美国普林斯顿大学的客座教授。退休前，贝尔博士在2001年至2004年任巴斯大学科学学院院长，也是2002年至2004年的英国皇家天文学会主席。她现为牛津大学的天体物理学客座教授，和曼斯菲尔德学院。

贝尔博士是英国物理学会现任会长。

贝尔是位于北爱尔兰的巴利米纳的剑桥文法学校的房屋赞助人，她还是法拉第科学与宗教研究所的顾问。她还获得了钢琴演奏的皇家音乐学会的证书。

她通过开展各种活动来提高妇女的地位，使妇女更多地担任物理学和天文学领域的学术职务。

在贝尔读书时，她已经是一个活跃的贵格会成员，并以一个贵格会神职人员的身份为1995，1996及1997年的不列颠长老会执行理事会年度会议服务。她于1989年1月在阿伯丁召开年度大会时举行了斯沃斯莫尔讲座，题为《被摧残的生命》的演讲，并且在美国的贵格会成员大会上作为一个唯一的演讲者演讲。

贝尔在2006年贝克维尔的采访中透露了她个人的宗教史和宗教信仰。她为贵格会的和谐和社会见证委员会服务，那里产生了《美丽动人的贵格会的见证：一个工具箱》，在2007年2月，并写了这篇介绍性的短文。她于2007年8月被任命为中央执行委员会的世界贵格会成员协商委员会，直到2008年12月。

她已经获得了无数荣誉学位，例如，最近的2007年，贝尔被授予哈佛大学荣誉博士学位和杜哈姆大学的科学荣誉博士学位。2007年6月她被晋封为大英帝国的爵士。

贝尔还拥有在英国勋衔制度最重要的奖项。1999年，贝尔收到了由英国女王伊丽莎白二世颁发的司令勋章。

Jumbo Huang Notes: A pulsar (from pulse and -ar as in quasar) is a highly magnetized rotating compact star (usually neutron stars but also white dwarfs) that emits beams of electromagnetic radiation out of its magnetic poles. This radiation can be observed only when a beam of emission is pointing toward Earth (much like the way a lighthouse can be seen only when the light is pointed in the direction of an observer), and is responsible for the pulsed appearance of emission. Neutron stars are very dense, and have short, regular rotational periods. This produces a very precise interval between pulses that ranges from milliseconds to seconds for an individual pulsar. Pulsars are one of the candidates for the source of ultra-high-energy cosmic rays (see also centrifugal mechanism of acceleration).

The periods of pulsars make them very useful tools for astronomers. Observations of a pulsar in a binary neutron star system were used to indirectly confirm the existence of gravitational radiation. The first extrasolar planets were discovered around a pulsar, PSR B1257+12. In 1983, certain types of pulsars were detected that at that time exceeded atomic clocks in their accuracy in keeping time.

Dame Susan Jocelyn Bell Burnell DBE FRS FRSE FRAS FInstP (/bɜːrˈnɛl/; born 15 July 1943) is an astrophysicist from Northern Ireland who, as a postgraduate student, discovered the first radio pulsars in 1967. She was credited with "one of the most significant scientific achievements of the 20th century". The discovery was recognised by the award of the 1974 Nobel Prize in Physics but, despite being the first person to discover the pulsars, she was not one of the recipients of the prize.