天眼科学目标:脉冲星的观测与研究意义—新闻—科学网

 
作者:张承民 来源:中国科学报 发布时间:2017/10/16 9:25:36
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天眼科学目标:脉冲星的观测与研究意义

 

■张承民

10月10日,中科院科学传播局和国家天文台举行新闻发布会,发布了我国500米口径球面射电望远镜(FAST)取得的首批成果,其中包括新发现的两颗脉冲星。这也是我国射电望远镜首次新发现脉冲星。

脉冲星是FAST的重要科学目标,其发现与研究意义备受关注与期待。

脉冲星的最早发现者是英国剑桥大学50年前的博士研究生乔瑟琳·贝尔女士(Jocelyn Bell),她于1967年夏天无意间搜索射电望远镜天线的数据带,注意到奇怪的周期信号,每隔1.33秒一次流量变化,后经仔细地认证,这是一个未知的宇宙信号,来自后来称之为脉冲星的天体,就是物理学家曾经预言的超级致密的中子星。脉冲星的发现是20世纪的重大天文学事件,经过50年的研究,我们知道脉冲星是一种极端致密的天体,源于8~25倍太阳质量的恒星演化到末期经历超新星爆发而形成,中心的物质大约是一个太阳质量塌缩成中子星,其物质密度大约是水的密度千万亿倍。脉冲星的辐射来自其强大磁场的极冠区,每当中子星极冠转到地球视线方向,我们便看到其辐射信号,所以感觉收到了脉冲信号。形象比喻,脉冲星好比航海的灯塔,当辐射束扫过地球即可以观测一次脉冲。脉冲星半径约10 千米、自旋很快,目前在射电波段观测到的旋转周期约在1.4毫秒~8.5 秒之间。

天文学家注意到,脉冲星在基础科学研究领域具有极其重要的学术意义。由于脉冲星的大质量和小半径,其表面引力场非常强,所以不能忽略广义相对论效应的存在,这使得脉冲星成为强引力场研究的天然实验室。爱因斯坦的广义相对论在刚发表时,理解这个观点的人极少,经过漫长的探索研究才逐渐被人接受。在地球和太阳系范围里,广义相对论已经得到如下几种验证方式。1)水星近日点的进动,每百年43秒的剩余进动,天文学家曾经无法合理解释其进动来源,直到后来被广义相对论预言;2)光线在引力场中的弯曲,广义相对论计算的弯曲结果比牛顿理论正好大1倍,英国天文学家爱丁顿利用1919年日全食观测,证实了爱因斯坦的预言;3)引力场中时钟变慢现象;4)光谱的引力红移现象。上述检验全部可以在脉冲星系统完成,其精度将高于地球的实验。值得一提的是,随着脉冲星的探索研究,引力辐射的检测可以通过双星系统进行。根据爱因斯坦理论预言,双星系轨道在引力波辐射下将收缩,而几小时轨道周期的双中子星系统每年将缩短几厘米。1974年美国天文学家赫尔斯和泰勒发现了一对互相绕转的双中子星系统(其中一颗为射电脉冲星),他们利用此双星系统的轨道变化来检验各类引力理论,发现广义相对论的理论预言与观测非常吻合,从而证实了引力波预言。所以FAST望远镜将发现新的双中子星系统进行高精度验证爱因斯坦广义相对论。

由于脉冲星的超强磁场,这为我们研究磁层粒子加速机制、高能辐射、射电辐射过程提供了一个理想场所;脉冲星强大的磁场运动产生电场,其中的等离子体物理过程也是物理学家感兴趣的课题。中子星的物质组成与其结构相关,其中心附近的密度是核密度的几倍,诞生时温度可高达10**9K,一般认为此条件下的极端压力可能生成夸克物质,这在地球上是没有条件直接探索的。其次,中子星外核存在中子以及少量质子和电子,所以中子星成为各种核物理理论验证的绝佳场所。

脉冲星作为大质量恒星坍缩后超新星爆发的产物,它对于研究超新星爆发理论、理解脉冲星的形成机制相当重要。超新星爆发是宇宙中巨大的能量释放现象,如果在银河系内临近地球处发生一次超新星爆发,可能会威胁到人类的生存。银河系的超新星爆发大约每隔50年一次,诸如1054年我国宋朝天文学家记录的蟹状星云处的爆发,1604年约翰尼斯·开普勒在银河系中发现超新星,还有美国宇航局的钱德拉望远镜,在银河系中发现了一个100万年前爆炸的超新星遗迹,目前天文学家已经发现400多个超新星遗迹。

在应用研究方面,脉冲星因其自转周期的高度稳定性,在时间标准和航天器导航上有非常重要的应用前景。在我们的平时生活中,差上几分钟对生活上的影响不是很大,但是如果在航天领域,时间定不准,就意味着空间位置有偏差,制导设备在定位精度上存在大问题。比如卫星的空间运动,时间差之毫厘,谬以千里。部分脉冲星自转周期的长期稳定性已经赶上甚至超过了氢原子钟,这表明脉冲星在宇宙航行领域是潜在的可以替代原子钟的时间标准。

脉冲星的研究涉及到许多学科的一系列重要理论问题,它与现代物理中的等离子体物理、广义相对论、基本粒子,核物理等密切有关。另外,脉冲星在恒星演化的研究中也占有特殊的地位,所以这项研究成为当今天体物理学最活跃的领域之一。

脉冲星自发现以来,在50年间取得了令世人瞩目的巨大成就。天文学家已经观测到2700多颗脉冲星,至今已积累了一大批宝贵的资料,同时也存在不少现象和问题尚待解决。随着FAST大型装置的建设和观测手段的进一步发展,人类必将逐步揭示脉冲星所带来的一系列新问题。虽然现在天文学家已经观测到14对双中子星系统,但没有发现脉冲星—黑洞系统,FAST有望在接下来的若干年内探测到这类奇特双星。据估计,脉冲星—黑洞系统的探测率少于双中子星系统的10倍左右,随着世界各地大射电望远镜的投入使用,未来10年可能会探测到脉冲星—黑洞系统,这为精确决定黑洞性质获得关键的信息,同时也可以检验引力波在此类系统的辐射性质。目前,观测到的毫秒脉冲星最快自旋周期是1.39 毫秒,低于20 毫秒的脉冲星有300多颗。根据理论计算,最快的脉冲星周期可以达到不足1毫秒,如果能探测到这类亚毫秒脉冲星,其质量将较大、半径较小,使得其物态很有可能是夸克物质,这将是核力起主导作用的一种新天体。还有,银河系以外脉冲星的探测也将作为FAST未来观测的重点,随着FAST射电望远镜灵敏度的提高,探测其他星系短时间内产生巨脉冲信号脉冲星也成为可能,这对于研究脉冲星奇特的辐射机制非常有利。另外,对于一些年老的脉冲星,其辐射的强度较低,星体自旋周期大于10秒。一般来说,自旋周期越大,其年龄越老,越不容易被探测到,在FAST高灵敏度的前提下,探测年老脉冲星变为可能,这对于研究脉冲星晚期演化特性是至关重要的。

总之,在FAST时代,可以预知的脉冲星观测将突破原有的样本数目,各种新型脉冲星天体将不期而至,我们正在迎接一个中国自主大科学装置发现时代的来临。

(作者系中国科学院国家天文台研究员)

《中国科学报》 (2017-10-16 第7版 观点)
 
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