千亿个太阳 作者:[德]鲁道夫·基彭哈恩-第13章
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冲在“累加”。■
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1968年11月，威廉·约翰·科克（Cocke）和迈克尔·迪斯尼（Disney）两位年轻天文工作者决定向亚利桑那州图森地区斯蒂沃德天文台的90厘米反射望远镜申请三个观测夜。由于两人都还缺乏天文观测经验，想利用这几夜熟悉望远镜。当他们还在思考观测对象时，学术刊物“科学”在12月初登出了发现蟹状星云脉冲星的报道，他们就决定把分配到的观测时间用来搜索蟹状星云脉冲星的可见光辐射。正好那时在研究所里就有一台现成的计数装置可用，那是唐纳德·泰勒（Taylor）为了与此毫不相关的用途所制作的。于是他连人带电子仪器作为嫁妆加入了搜索小组的行列。这样，技术方面已经一切就绪；可是搜索计划成功的希望不大。虽然从未有人成功地证实过脉冲星为可见恒星，但科克和迪斯尼的打算是最低限度总可以学一学使用望远镜，至少还可以这样来检验泰勒的电子装置。1月初，这套测试设备在基特峰装就。1月11日，诸事齐备，望远镜首次指向蟹状星云。对每一对象星都测到5000倍脉冲星周期以上，同时把光信号按射电脉冲周期传送到若干计数器上。结果，在搜索区内并没有什么星使计数器中累加起一个脉冲来。泰勒在1月12日回图森去了。于是只有科克与迪斯尼留在山上，另外还有管电子仪器的罗伯特·W·麦卡利斯特（McCallister）帮忙。1月12日，天气开始变坏，仍旧没有结果。接下来的两个观测夜，也就是分配给这一项目的最后两夜，由于恶劣天气而报销了。事情看来仍无成效。偶然的良机往往产生深远的影响。1月15日起轮到使用这架望远镜的观测者威廉·G·提夫特（Tifft）为运气不佳的新手又提供了1月15、16日两夜的机会，使他们能继续试验。下面我援引迪斯尼本人的描述：“15日白天有云，但黄昏时云退天晴，20点正我们开始工作。泰勒还在图森，科克和我轮流操作望远镜，麦卡利斯特管着泰勒的仪器。第一步，我们先试测没有星的天空背景。第二步，我们就把瓦尔特·巴德（WalterBaade）认作蟹状星云中心星的那颗星放入仪器光阑中。才过了30秒钟，计数器上就显示出一个清楚的不断增长的脉冲，并且显然在主脉冲后半个周期还出来一个较小的、相当宽而没有主脉冲那样高的次脉冲。这时候，麦卡利斯特平心静气地继续操作着仪器，科克和我却时而欣喜若狂，时而沮丧万分，不能自己。这是脉冲星呢，还是我们碰到了电子仪器的某种干扰？何况脉冲星频率又恰好是美国交流电源频率的一半。可是，测试一再重复，脉冲丰姿就一再重现，气氛更热烈了。20点30分，也就是观测开始后半小时，我打电话通知泰勒。他起先抱怀疑态度，提出要改装电子仪器以消除可能存在的弊病。直到第二个夜晚亲眼看到脉冲累加，他才信服了。22点10分我们打电话告诉了各自的妻子，她们一听就想马上上山来看，好不容易才劝住了她们。1点22分，雾蒙蒙的夜空结束了这场观测。圆顶里三名观测者毫不怀疑，他们幸运地发现了第一颗光学脉冲星。”■
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很快就有另外一批观测者来证实这项发现。图8…8的两幅图像是按图8…6所示的原理得到的。那么右边这幅图像中所缺的脉冲星也就是图8…5中心附近两星中的偏下一颗，它的位置用图右边缘和下边缘的记号标出。根据图8…5就能在展示蟹状星云全貌的图7…6中把脉冲星辨认出来。什么是脉冲星脉冲星和超新星爆发有某种联系，这在蟹状星云脉冲星发现后已经明确。看来，发生超新星爆发后，恒星的残余部分就发出脉冲星信号。星空另有一处的气体现象反映从前曾爆发过超新星，而恰好在该处发现了又一颗脉冲星。这桩事也加强了那样的设想。显然，这一事件要追溯到很久以前：船帆星座中这一超新星爆发的年代应该比蟹状星云超新星爆发早得多，因为它抛出的气体物质在天上看来已经不是小小一点，而是布满了一广阔空间范围的许多条纤维状气体丝。这颗脉冲星的周期为0。09秒，比蟹状星云脉冲星长。它是已知第三名快速脉冲星。它刚一出现，人们就着手在可见光区寻找它。直到1977年，这项搜索才告成功，2月9日“自然”编辑部收到的这封宣布成功证实船帆脉冲星为某一恒星的投稿信，是由12位作者签名的。只要想一想，在此之前的8年中除了在英国和澳大利亚工作的这12位获得成功的科学家之外，还有大批天文学家曾动用世界上效能最高的望远镜，搜寻以船帆脉冲星的节律发光的恒星，却都宣告失败，就能体会这场搜捕会战是何等艰巨。还有，曾参加蟹状星云脉冲星观测的迈克·迪斯尼，这次也在成功队伍之列。用可见光寻找所有别的脉冲星至今一无所获。这使人们形成如下的印象：恒星发生超新星爆发，产生了脉冲星。一开始时脉冲周期比蟹状星云脉冲星还要短。它既发出射电脉冲，也发出光脉冲。随着年代的逝去，脉冲节律逐渐变慢。过了不到1000年，周期变长到蟹状星云脉冲星那样，再过许多年变成和船帆脉冲星那样长。随着脉冲周期的变长，它的可见光也同时变得愈来愈暗。后来，它的周期达到了1秒以至更长，光学脉冲早已消失，可是射电波段还能测到。因此只有两个周期极短的脉冲星才看得见。两者属最年轻之列，连它们的爆云残烟都还在目。而那些较老的脉冲星早就丧失了它们的可见光辐射。可是，脉冲星究竟是什么？一颗恒星以巨型爆发结束生命时，剩留的是什么？我们已经知道，产生脉冲星辐射的空间范围一定是非常小的。那么，为了解释脉冲星现象，试问在一很小空间内有哪些过程进行得既快速，重复得又那样精确呢？是像造父变星那种类型的恒星胀缩过程吗？果真是脉动变星的话，那么它们的密度一定非常大，因为只有这样，它们的振荡周期才可能很短。让我们回想一下，造父变星的周期是好些天，而我们在寻觅的天体甚至能在百分之几秒内振荡。即使是我们所知密度最大的
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恒星——白矮星，振荡周期也没有那样短。我们不禁要问，是不是还存在着密度更大的恒星，也就是说，密度每立方厘米好几吨的白矮星对比它们如同小巫见大巫的那种星体？在人们对脉冲星有所知晓前好多年，帕萨迪纳的两位天文学家就曾有过这样的设想。30年代，德国出生的瓦尔特·巴德在当时世界最大的望远镜旁工作。他可以称得上是本世纪最优秀的实测天文学家之一。这个帕萨迪纳研究组的另一位成员是同样富于想象，并习于争论的瑞士人弗里茨·慈威基（FritzZwicky）。早在1934年，这两位天文学家就已提出，密度极高，物质几乎完全由中子组成的实际恒星是可以想象的。1939年，物理学家J·罗伯特·奥本海默和乔治·M·沃尔科夫（GeorgeM。Volkoff）在美国物理刊物“物理评论”上发表了一篇关于中子星的学术论文。不过，远在天体物理学家们认真研究中子星之前，这篇文章的作者之一就已名扬全球，因为奥本海默在美国的原子弹研制中起了主导作用。经奥本海默和沃尔科夫的研究后，人们了解到，电子和质子全都结合成中子的物质能够形成由本身引力维持不散的恒星类型的气体球。知道了中子物质的特性，就能对这种中子星进行理论计算。计算出来的中子星“恒星模型”表明这种星的密度极高，相当于把太阳的质量挤缩在一个直径为30公里的球内，每立方厘米包含的中子物质有几十亿吨之巨（见图8…9）。如果能让中子星振荡起来，那么它们的频率应该比脉冲星快得多。所以，要问是什么原因使脉冲星那样规律地掌握时间，形成了脉冲星的周期，那么中子星的振荡也决非答案。■这样，我们又兜回原地来了。寻觅了一番可能振荡得极快的高密态恒星类型的天体，我们发现，白矮星太慢，而设想中的中子星却太快了。托马斯·戈尔德解释脉冲星天文界的同行们称他为汤米（Tommy）。他出生在奥地利，1938年希特勒军队开进去以前避难于英国。他在英国学习，和同时避难于英国的赫尔曼·邦迪（HermannBondi）以及弗雷德·霍伊尔一起工作了一段时期，然后去美国。发现脉冲星的新闻传遍世界的那些天，他正执教于纽约州伊萨卡的康奈尔大学。当时大批的，多数是企图挽救脉动假说的，草草出笼的理论解释文章正充斥各种学术刊物，汤米·戈尔德的思考却转到另一方向。天上各种规律性最强的周期过程中还包含天体的转动。太阳每27天绕本身的轴转动一周，有的恒星自转远比这快得多。可以问，脉冲星那样规律性的周期是否可能和一种自转过程有某些关系？这就是设想一个天体要在一秒内绕本身轴自转一周，对蟹状星云脉冲星来说甚至要自转30周。但是恒星自转的快速程度并非没有限度，转速太急会被离心力撕裂。
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只有那些表面重力非常巨大的恒星才能绕本身轴急速自转。白矮星最快大约每秒能转一周，如果叫它以蟹状星云脉冲星的周期去急转，离心力早就把它撕碎了。只有密度更大的恒星才能转得更急速。再来看中子星，脉冲星周期现象的时间控制因素会不会就是中子星的自转，也就是，一颗中子星能不能在几分之一秒内绕轴自转一周？这完全可能，它的重力足够强大，哪怕要它转得远比这样还快得多也行。天体物理界人士目前都公认汤米·戈尔德把脉冲星解释为自转中子星的假说是最合理的。此外，脉冲星周期的逐渐变长就使人推想，中子星的自转会随着时间的推移而变慢。这看来很合乎道理，因为照此说法脉冲星所放出的射电和可见光辐射能的源泉也许就在于中子星的自转能。那么，光是放出辐射这件事看来就足以使中子星的自转逐渐慢下来，但是这种减慢作用的威力还不止于此。据估算，蟹状星云脉冲星变慢所不断释放出来的自转能，不仅维持着脉冲星的辐射，甚至还担负着整个星云发光的消耗。这一结果还帮助我们去解决另一个难题。普通气体星云，像图7…5的行星状星云或图12…1的猎户星云的光是由原子所发射的，蟹状星云发光的原因则完全不同。蟹状星云中的电子运动得几乎和光线一样快，它们在超新星爆发时获得了极高的速度。这些电子在星云的磁场中被迫沿圆形轨道运动，并以光线的形式把能量发射出来。曾经有个难题是，公元1054年以来，这么多年了，这些电子为什么还是运动得那样快？既然发射能量，它们为什么没有慢下来？照说它们的辐射应该愈来愈弱，蟹状星云的亮度愈来愈暗。显然它们应该是从某处得到了补充的能量。现在我们已经找到了这个能源。如果汤米·戈尔德的理论正确，蟹状星云中的自转中子星可能通过它的磁场把能量输送给附近的气体。中子星在星云中就像一根搅拌棒在使劲搅动，使电子保持其速度，使蟹状星云不失其光辉。这个中子星的自转能还够用几千年。虽然我们已经找到了一种至少能解释脉冲星规律性时间变化的作用过程，但是我们还不明白，其中的射电辐射究竟是怎样产生的。因为接收到的不是普通波形，而是在一个周期的绝大部分时间中空缺，随之又在极短时间内集中了极多能量的脉冲式辐射，那么只能设想，星体沿某特定方向发出辐射，自转使它那探照灯般的光束按一定的时间间隔一次又一次地扫到我们这里，就像一座灯塔发出旋转的光扫到一只船上那样。中子星可能类似于我们地球，具有磁场，只是远比地球强得多，在讲X射线星的第10章里我们还要谈这个问题。假定磁轴与自转轴并不一致，地球也正是这样，中子星自转时，带动其磁场一起转。不妨这样设想（见图8…10）：中子在自转磁化中子星的表面变成电子和质子，表面的强电场使带电质点抛离中子星。这些粒子沿磁力线飞向空中，它们的能量足以使蟹状星云在它诞生后千余载的今天还在发光。由于带电粒子横穿磁力线特
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别费劲，它们大多数都在磁极区离开中子星，沿着弯曲的磁力线以巨大的速度向外飞去。图8…10就示意这种情况。飞离中子星的粒子之中最轻的是电子，运动速度也最快，大致接近光速。电子以这样的高速沿曲线轨道飞行时要发射出能量，这种能量不是均匀地发往四面八方，而是高度集中在电子的飞行方向。这就意味着，辐射离开中子星往外传播的方向就是中子星磁力线的指向，所以它是在两个锥状的空间区域中发射出去的。因为磁场跟随中子星转，两个辐射锥也转。从一位远方的观测者看去，只有当他被两锥之一扫到时才能接收到辐射。从他那里看起来，中子星在按它的自转周期等间隔地闪亮。在这样一幅当代天体物理界许多人士认为基本正确的设想图中，我们被沿着中子星两极磁力线方向发出的辐射打中，正像被一座灯塔的旋转光柱扫到一样。■尚待解决的若干问题1969年春，两处天文台各自发现，有一颗脉冲星缩短了相邻脉冲的时间间隔，中断了脉冲周期缓缓变长的进程，此后又恢复到和以前相等的状态（见图8…11）。既然我们已经了解，脉冲星是自转中子星，受到周围介质的阻尼作用而变慢，那么，它为什么又会突然变快呢？■这种变化的形式是突然颤动。核物理学家比天体物理学家更善于和中子打交道，他们认为，中子星表面已形成硬壳，而这部分物质在超新星爆发所留下的中子星的冷却过程中有时会像土块那样散裂。在这种情况下，如果中子星再稍为收缩，它的自转速度就变快。这就是已经记录到好多次的周期突然变短的解释吗？地壳内的较大变动会引起地球自转周期也就是一天长度的变化。我们是不是观测到了脉冲星的类似现象？周期突变是在告诉我们中子星星震的信息吗？1974年，罗素·A·赫尔斯（RussellA。Hulse）和约瑟夫·H·泰勒（JosephH。Taylor）发现了一个新脉冲星，它的周期（59毫秒）之快当时仅次于蟹状星云脉冲星，而名列第二，但至关紧要的还不是这点。它的脉冲间隔显然不等，而是相互挤紧一些，然后又相互分开，每天如此反复三周。这种现象的示意情况可见图10…4，那是另一场合，因为它对那里所讲的X射线源具有更重要的作用。本书在该处还说明，当一个脉冲源绕另一天体运转，信号传到我们这里所经路程会时而偏长，时而偏短这种现象（还请参阅图10…5）。这样看来，赫尔斯…泰勒脉冲星是在绕着另一星体运转！可是至今还没有任何人能在这一位置确认出一颗光学星体来。这并不奇怪，因为这一脉冲星的轨道太窄小，给这未知天体留出的地盘简直说不上来。它不能是一颗正常的主序星，那实在是太大了，更不用考虑什么巨星
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或超巨星。和这颗脉冲星组成双星的另一颗星体也许是白矮星或者中子星？如果是后者，那么又为什么该中子星并没有成为另一脉冲星？这时，人们已经在四对双星中发现了脉冲星，其中两对可能都是包含一颗主序星，它看来很好地经住了其伴星在变为脉冲星前的超新星爆发。读者可能还会记得，休伊什的研究组发现了第一颗脉冲星后，没有把小绿人作为信号来源，是因为相邻脉冲的时间间隔并没有周期性变化（参阅第123页脚注）。几百个脉冲星也都是这样，有一批脉冲星的信号则来自围绕另一星体运�
