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第7章 PSR B1919+21(2/6)

   当贝尔把结果拿给休伊什时,休伊什没有像其他人那样否定,反而兴奋起来:“这不是干扰,这是天体的信号!”

    他的理由很简单:

    信号的周期性太规则了——人造卫星的轨道周期是几分钟,不可能这么短;

    信号的稳定性太高了——持续了几周都没有变化,不可能是电离层的随机波动;

    信号的方向性——它们来自天空的不同区域,说明是宇宙中的天体在发射。

    休伊什给这种未知天体起了个名字:“LGm-1”(Little Green men,小绿人)——开玩笑说,可能是外星文明的信号。但私下里,他知道,这更可能是一种未知的天体物理现象。

    2.3 验证:排除所有“不可能”

    为了确认信号的来源,贝尔和休伊什做了三件事:

    跟踪观测:他们用望远镜持续跟踪信号源,发现信号的周期和强度都没有变化——排除了人造物体的可能;

    色散测量:射电波穿过星际介质时,高频波会比低频波传播得快,导致脉冲“展宽”。通过测量色散量,他们计算出信号源的距离约2000光年——来自银河系内的恒星;

    排除其他模型:他们考虑了所有已知的天体:白矮星?不可能,因为白矮星的自转周期太长(几小时到几天);黑洞?不可能,因为黑洞不会发出射电信号;类星体?不可能,因为类星体的信号是连续的,不是脉冲。

    三、脉冲星的确认:中子星的“现身”

    1968年2月,休伊什和贝尔在《自然》杂志上发表论文《旋转中子星的射电脉冲》(Radio pulses from a Rotatiron Star),正式宣布:他们发现了一种新型天体——脉冲星,本质是旋转的中子星。

    3.1 中子星的理论基础:从“不可能”到“必须存在”

    要理解脉冲星的本质,必须先回顾中子星的理论:

    1931年,印度天文学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan drasekhar)计算出:当恒星的质量超过1.4倍太阳质量(奥本海默-沃尔科夫极限)时,电子简并压力无法对抗引力,核心会坍缩成中子星——一种密度极高的天体(1立方厘米的质量相当于1亿吨)。

    1934年,沃尔特·巴德(walter baade)和弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)提出:超新星爆发后,恒星的核心会坍缩成中子星,并释放出巨大的能量。

    但在此之前,中子星只是理论上的“数学解”——没有人观测到它的存在。而脉冲星的发现,正好填补了这个空白。

    3.2 脉冲星的“灯塔模型”:为什么会有周期性脉冲?

    休伊什和贝尔提出的“灯塔模型”,完美解释了脉冲星的脉冲机制:

    中子星的自转轴和磁轴不重合(就像地球的南北极不重合);

    中子星的磁场极强(约1012高斯,是地球磁场的101?倍),会将带电粒子加速到接近光速,从磁极附近发射出射电束;

    当中子星旋转时,射电束会像“灯塔的光柱”一样扫过宇宙——如果地球刚好在射电束的路径上,我们就会看到周期性的脉冲。

    这个模型不仅解释了脉冲的周期性,还解释了为什么脉冲星的周期非常稳定:中子星的自转极其规律,误差只有百万分之一秒\/年。

    3.3 pSR b1919+21的“身份证”:参数与特性

    作为第一颗被确认的脉冲星,pSR b1919+21的参数至今仍是经典:

    脉冲周期:1.秒(精确到小数点后7位);

    位置:赤经19h19m12s,赤纬+21°48′00″(位于狐狸座);

    距离:约2000光年(通过色散量计算);

    周期变化率:每年减少约3.7x10?1?秒(说明中子星的自转在缓慢减速,因为发射射电波会消耗能量);

    磁场强度:约1012高斯(通过脉冲宽度和周期计算)。

    四、发现的意义:开启脉冲星研究的“黄金时代”

    pSR b1919+21的发现,不仅让休伊什和贝尔获得了1974年的诺贝尔物理学奖(休伊什为主,贝尔为辅),更彻底改变了天文学的研究方向。

    4.1 证实中子星的存在:从理论到观测

    在此之前,中子星只是理论家的“玩具”。而pSR b1919+21的发现,让科学家第一次“看到”了中子星——它的自转、磁场、密度,都符合理论预测。这不仅验证了恒星演化理论,更开启了致密天体物理学的新纪元。

    4.2 为引力波探测铺路:中子星的“碰撞”

    脉冲星的稳定周期,让它成为探测引力波的“天然探测器”。1974年,天文学家发现了一对“双脉冲星”(pSR b1913+16),它们的轨道
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