1967年，喬瑟琳·貝爾(Jocelyn Bell)首次發(fā)現(xiàn)脈沖星(轉(zhuǎn)動(dòng)中子星)。55年來，天文學(xué)家探測(cè)脈沖星的數(shù)目接近4000顆，其中世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——中國(guó)天眼(FAST)發(fā)現(xiàn)500多顆。脈沖星已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)的天然實(shí)驗(yàn)室，其觀測(cè)研究具有涵蓋多波段和多信使(電磁波、引力波、中微子、宇宙線)的全方位特性。目前發(fā)現(xiàn)的脈沖星有10余種，星體的磁場(chǎng)、自轉(zhuǎn)、質(zhì)量、輻射機(jī)制等表現(xiàn)出多樣特征，其起源與演化依然是個(gè)謎團(tuán)。
脈沖星的發(fā)現(xiàn)
1967年夏天，英國(guó)劍橋大學(xué)的射電望遠(yuǎn)鏡意外地接收到一系列奇特的電波，那是有規(guī)則的無線電流量變化，即間隔1.33s的脈沖周期信號(hào)。當(dāng)時(shí)一位正在監(jiān)測(cè)儀器的博士研究生喬瑟琳·貝爾首先注意到這一奇特現(xiàn)象，感到非常困惑。她排除了各種“干擾”，認(rèn)定這個(gè)宇宙的“心電圖”來自致密天體，即后來的脈沖星。脈沖星是富含中子的星體，其超高密度相當(dāng)于太陽壓縮到一個(gè)城市大小。脈沖星的電磁波輻射來自其磁場(chǎng)極冠區(qū)，如同宇宙的燈塔隨著星體轉(zhuǎn)動(dòng)掃過地球，使人類探測(cè)到“脈沖信號(hào)”。脈沖星成為人類認(rèn)識(shí)宇宙的重要里程碑發(fā)現(xiàn)之一。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使貝爾的導(dǎo)師安東尼·休伊什(Antony Hewish)獲得1974年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2018年，科學(xué)突破獎(jiǎng)(Breakthrough Prizes)評(píng)選委員會(huì)將基礎(chǔ)物理學(xué)特別獎(jiǎng)授予喬瑟琳·貝爾，表彰她發(fā)現(xiàn)脈沖星的重要貢獻(xiàn)，以及在引導(dǎo)科學(xué)界方面所發(fā)揮的作用。為推動(dòng)中英天文學(xué)的合作，貝爾多次來華訪問，于2012年在北京出席國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)開幕式，作為參會(huì)嘉賓之一受到時(shí)任國(guó)家副主席習(xí)近平的接見(圖1)。貝爾還積極支持FAST的建設(shè)方案，并在國(guó)際場(chǎng)合協(xié)助全球天文學(xué)家參加FAST的合作。
圖1 喬瑟琳·貝爾(前排左二)2012年在北京出席國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)開幕式
多信使時(shí)代脈沖星的研究
55年來天文學(xué)家探測(cè)到脈沖星近4000顆，其中射電脈沖星3500顆(包括FAST探測(cè)到的500多顆)。脈沖星的類型豐富多彩，約有10類以上，包括常規(guī)單星、雙星、吸積雙星、遺跡脈沖星、高能、磁星、轉(zhuǎn)動(dòng)中心致密星體、間歇、暫現(xiàn)脈沖星、高能脈沖星、轉(zhuǎn)換毫秒脈沖星等(圖2)。
圖2 脈沖星磁場(chǎng)—周期
脈沖星基本參數(shù)的測(cè)量更加精細(xì)，包括自轉(zhuǎn)周期、磁場(chǎng)、質(zhì)量、軌道等，由于半徑測(cè)量的精度有限，中子星內(nèi)部的核物質(zhì)狀態(tài)細(xì)節(jié)一直未決。已知中子星磁場(chǎng)強(qiáng)度介于億高斯到千萬億高斯，射電脈沖星周期介于1.強(qiáng)度39ms和23.5s，質(zhì)量約為1.4太陽質(zhì)量。脈沖星自轉(zhuǎn)演化主要源于其磁場(chǎng)偶極輻射制動(dòng)，然而觀測(cè)發(fā)現(xiàn)這一構(gòu)想只是總體上成立，具體過程仍有待深入探討。脈沖星探測(cè)器從地面到太空，從射電波段到多能段，所涉及的研究學(xué)科囊括多信使物理(電磁、引力波、中微子和高能宇宙線)，同時(shí)脈沖星成為驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論和其他引力理論的利器。脈沖星多數(shù)在射電波段被探測(cè)到，但在其他波段也發(fā)現(xiàn)了幾百顆，諸如雙星X射線中子星和伽瑪射線脈沖星。美國(guó)引力波干涉儀LIGO也發(fā)現(xiàn)了雙中子星并合以及疑似中子星黑洞并合的事例。地面的望遠(yuǎn)鏡主要是射電和光學(xué)波段，而高能探測(cè)主要在空間衛(wèi)星上進(jìn)行。在FAST建成以前，阿雷西博305m口徑射電望遠(yuǎn)鏡曾經(jīng)是世界上最靈敏(于2020年12月1日倒塌)的，F(xiàn)AST現(xiàn)在擔(dān)當(dāng)新型脈沖星發(fā)現(xiàn)的任務(wù)。脈沖星研究取得的如下特別成就，也是未來FAST需要繼續(xù)跟蹤的課題。
01
引力波與廣義相對(duì)論驗(yàn)證
1974年，拉塞爾·赫爾斯(Rusell A. Hulse)和約瑟夫·泰勒(Joseph H. Taylor)發(fā)現(xiàn)了第一對(duì)脈沖星雙星(2個(gè)中子星)PSR B1913+16，首次觀測(cè)到引力波的間接證據(jù)，即引力輻射導(dǎo)致軌道收縮，這與廣義相對(duì)論預(yù)言吻合，這一研究榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前總共探測(cè)到的脈沖雙星系統(tǒng)為286顆，雙中子星的數(shù)量是19對(duì)，雙中子星在脈沖雙星系統(tǒng)中的占比約為6%。在雙中子星系統(tǒng)中，一般把首先形成的中子星稱為主星;較晚形成的，沒有經(jīng)歷吸積加速的中子星稱為伴星。雙中子星系統(tǒng)通常起源于2個(gè)大質(zhì)量恒星，其中較大質(zhì)量的恒星首先經(jīng)歷第一次超新星爆發(fā)，產(chǎn)生一個(gè)中子星并伴隨一個(gè)大質(zhì)量的伴星;在第二次超新星爆發(fā)之前，會(huì)發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程，即第一個(gè)形成的中子星會(huì)吸積其大質(zhì)量伴星的物質(zhì)，在這個(gè)階段探測(cè)到的系統(tǒng)稱為大質(zhì)量X射線雙星。由于不穩(wěn)定的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程，第二個(gè)大質(zhì)量伴星再次經(jīng)歷超新星爆炸，最終形成了2個(gè)中子星組成的系統(tǒng)。雙中子星探測(cè)率小的主要原因是其獨(dú)特的形成機(jī)制。在其形成過程中，需要經(jīng)歷2次超新星爆發(fā)。當(dāng)踢速度(發(fā)生超新星爆炸后新形成中子星獲得的速度)較大時(shí)，雙星系統(tǒng)就會(huì)瓦解。影響踢速度的主要有雙星之間的潮汐力，演化過程中不同階段的質(zhì)量轉(zhuǎn)移等因素。較大的踢速度是打斷雙中子星形成的最為重要的原因之一。其次，滿足質(zhì)量范圍為8~25太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星的數(shù)量少，雙星配比更小，這也限制了雙中子星的數(shù)量。
02
毫秒脈沖星
1982年阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)第一個(gè)毫秒脈沖星，這是一顆被伴星吸積物質(zhì)加速到毫秒周期的脈沖星——PSR B1937+21，自轉(zhuǎn)周期為1.56ms，其磁場(chǎng)比常規(guī)脈沖星(蟹狀星云脈沖星)低了4個(gè)數(shù)量級(jí)。起初，這一發(fā)現(xiàn)使得脈沖星理論陷入危機(jī)。然而，毫秒脈沖星的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)脈沖星在雙星系統(tǒng)的吸積理論方面有了新認(rèn)識(shí)，這些年老的脈沖星可以通過吸積獲取伴星物質(zhì)從而加速到毫秒量級(jí)旋轉(zhuǎn)，其間磁場(chǎng)降低4個(gè)量級(jí)，而質(zhì)量增加0.1~0.2太陽質(zhì)量。目前已發(fā)現(xiàn)400多顆這樣的脈沖星。在脈沖星天文學(xué)中，磁場(chǎng)演化一直是一個(gè)備受關(guān)注的話題，因?yàn)樗c脈沖星的輻射機(jī)制和演化過程密切相關(guān)。對(duì)于處在雙星系統(tǒng)中吸積的脈沖星而言，其表面磁場(chǎng)會(huì)因其從伴星吸積物質(zhì)而衰減。例如，位于高質(zhì)量X射線雙星中的中子星大約從伴星吸積了1/1000太陽質(zhì)量，其磁場(chǎng)衰減較小，保持在108~109T;但是，對(duì)于處在低質(zhì)量X射線雙星中的中子星，吸積質(zhì)量大約為0.1~0.5太陽質(zhì)量，其磁場(chǎng)會(huì)衰減到104~105T，同時(shí)其自轉(zhuǎn)周期可被加速到毫秒量級(jí)，形成毫秒脈沖星。X射線雙星中的回旋共振散射吸收特征是直接測(cè)量中子星磁場(chǎng)的工具，表現(xiàn)為X射線能譜中多階吸收特征。對(duì)比研究轉(zhuǎn)動(dòng)供能的射電脈沖星與吸積供能的X射線脈沖星測(cè)量的磁場(chǎng)后認(rèn)為，年輕的射電脈沖星磁偶極輻射測(cè)量的磁場(chǎng)和回旋吸收線測(cè)量的磁場(chǎng)趨于一致，而對(duì)于年老的射電脈沖星，磁偶極測(cè)量的磁場(chǎng)可能有較大誤差。對(duì)于孤立的正常脈沖星，其磁場(chǎng)在演化過程中是否存在明顯衰減還存在爭(zhēng)議。其中一部分研究認(rèn)為其磁場(chǎng)會(huì)在百萬年內(nèi)存在明顯衰減。而另一部分研究的結(jié)論則恰好相反，認(rèn)為磁場(chǎng)衰減的時(shí)標(biāo)可能高達(dá)1億年，這意味著磁場(chǎng)在其壽命周期內(nèi)不存在明顯衰減。需要指出的是，上述關(guān)于脈沖星磁場(chǎng)演化的研究都是基于磁偶極模型得到的特征磁場(chǎng)，其不一定等于真實(shí)磁場(chǎng)，二者可能只是在數(shù)量級(jí)上相等。因此，筆者認(rèn)為對(duì)中子星表面磁場(chǎng)的直接測(cè)量(目前只有利用回旋吸收線的性質(zhì)這一種方法)對(duì)將來解決上述爭(zhēng)論具有關(guān)鍵性的作用。
03
脈沖星周期躍變(Glitch)現(xiàn)象與機(jī)制
1969年，理查德·曼徹斯特(Richard N. Manchester)首次在船夫座Vela脈沖星(PSR J0835-4510)中發(fā)現(xiàn)了自轉(zhuǎn)突然加快的周期躍變(Glitch)現(xiàn)象。通常，典型的一次躍變，躍變后還伴有幾周到幾年不等的指數(shù)衰減過程，約208顆脈沖星中探測(cè)到660次周期躍變事件，周期躍變現(xiàn)象產(chǎn)生于脈沖星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，理論解釋主要有3種。第一種是中子星星震模型：脈沖星的自轉(zhuǎn)突快是中子星星殼的彈性應(yīng)力的突然釋放而引起的。在中子星旋轉(zhuǎn)速度減慢過程中，這種彈性應(yīng)力逐漸積累在原子核晶格所組成的固態(tài)星殼內(nèi)。應(yīng)力突然釋放導(dǎo)致橢率變化，并使星體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量突然減小。為保持星體角動(dòng)量守恒，中子星轉(zhuǎn)速突然增加。現(xiàn)在這種模型無法解釋大幅度周期躍變的觀測(cè)特征。第二種是超流模型：中子星殼層和中子星核內(nèi)中子超流層的旋轉(zhuǎn)速度不同。超流層比外部殼層轉(zhuǎn)動(dòng)得更快，超流渦絲的突然拖拽和放開把內(nèi)部的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到殼層，產(chǎn)生自轉(zhuǎn)突然加快。但幾十年來該模型在定量計(jì)算上幾乎沒有進(jìn)展。第三種是中子星和外界交換能量、角動(dòng)量模型，如中子星星風(fēng)制動(dòng)導(dǎo)致反周期躍變或者吸積造成磁星發(fā)生周期躍變時(shí)伴隨X-射線發(fā)射等。
04
脈沖星射電輻射效率
脈沖星的射電光度(L)，占脈沖星能損率(E?)的比例被稱為射電脈沖星的輻射效率(ξ)，故射電輻射效率可以定義為ξ≡L/E?。脈沖星的射電光度有很大的差異(1018~1025J/s)，分布在一個(gè)廣闊的范圍，其射電光度符合對(duì)數(shù)高斯分布，峰值L≈1022 J/s給出射電效率與能損率存在極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系 (ξ∝E?-0.94)。在此之前，Malov和Szary等曾認(rèn)為射電效率與能損率的關(guān)系表現(xiàn)了脈沖星輻射的物理本質(zhì)，上限ξ=0.01。研究者提出了“觀測(cè)限制線”代替目前的死亡線思想，這是因?yàn)槊}沖星死亡線下面出現(xiàn)了50多顆脈沖星，這說明脈沖星在此沒有真的“射電死亡”。觀測(cè)限制線是在ξ≡0.01的基礎(chǔ)上，得到在單位距離(1kpc)和實(shí)測(cè)在1400MHz為中心帶寬可測(cè)量到的最小流量密度的條件下，所能觀測(cè)到的最小能損率。當(dāng)可測(cè)量的流量密度≥1mJy(1mJy=10-29W/(㎡·Hz)時(shí)，觀測(cè)限制線為E?≈1023J/s;而當(dāng)能測(cè)量的流量密度≥0.01mJy時(shí)，觀測(cè)限制線為E?≈1021J/s。因此，正好可以解釋為什么早先觀測(cè)到的脈沖星大量在經(jīng)典死亡線(E?≈1.5×1023J/s)截止，最近觀測(cè)的脈沖星又出現(xiàn)超出經(jīng)典死亡線的現(xiàn)象。
05
快速射電暴與河外脈沖星
快速射電暴是一類持續(xù)時(shí)間毫秒級(jí)、非常明亮的、多數(shù)起源于銀河系之外的射電爆發(fā)。該現(xiàn)象由Lorimer研究團(tuán)隊(duì)于2007年開始進(jìn)行系統(tǒng)地研究。隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的增多，以及FRB重復(fù)暴的發(fā)現(xiàn)，對(duì)此現(xiàn)象的理論解釋也日漸豐富，特別是FRB的起源和輻射機(jī)制問題，但是至今仍無定論。2020年4月，天文學(xué)家觀測(cè)到了來自一顆銀河系內(nèi)磁星(SGR 1935+2154)的射電爆發(fā)，并且在此爆發(fā)之前8.62s曾觀測(cè)到高能爆發(fā)現(xiàn)象。本次事件成為解釋FRB起源的關(guān)鍵，因?yàn)檫@不僅是對(duì)FRB的首次多頻段聯(lián)合觀測(cè)，更是第一次在河內(nèi)觀測(cè)到此現(xiàn)象，這有力地支持了FRB的磁星起源理論。FRB磁星或脈沖星起源模型認(rèn)為多數(shù)的河外FRB產(chǎn)生自河外磁星或脈沖星的爆發(fā)現(xiàn)象，并可能由強(qiáng)磁場(chǎng)或高速自轉(zhuǎn)的星體來供能。然而FRB的磁星或脈沖星起源模型也存在至少3個(gè)方面的問題。例如，F(xiàn)RB現(xiàn)象并沒有觀測(cè)到準(zhǔn)確和穩(wěn)定的周期或準(zhǔn)周期特征，F(xiàn)RB誕生率與磁星和脈沖星不相符，河外FRB的射電光度明顯高于河內(nèi)FRB。而且在對(duì)SGR 1935+2154這顆源的后續(xù)觀測(cè)中，并未再次接收到類似的FRB信號(hào)。因此有研究推測(cè)，盡管磁星可以產(chǎn)生FRB，但其所需的周邊環(huán)境或許較為特殊且復(fù)雜多變。還有研究者認(rèn)為，F(xiàn)RB可能是多天體起源的，并且是由多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。由此可見，F(xiàn)RB的起源和機(jī)制以及FRB同磁星與河外脈沖星的關(guān)系仍值得進(jìn)一步研究。
中國(guó)天眼未來脈沖星探測(cè)目標(biāo)
中國(guó)天眼的口徑是500m，其大面積反射面提升了觀測(cè)能力，因此發(fā)現(xiàn)暗弱和長(zhǎng)周期射電脈沖星是其獨(dú)特能力(如已經(jīng)觀測(cè)到最長(zhǎng)周期23.5s)，對(duì)以下探測(cè)目標(biāo)具有天然優(yōu)勢(shì)。1)在球狀星團(tuán)里尋找亞毫秒脈沖星和脈沖星+黑洞系統(tǒng)。這是天文學(xué)家翹首盼望已久之事，前者穩(wěn)定的高速轉(zhuǎn)動(dòng)可能與夸克物質(zhì)有關(guān)，而后者的發(fā)現(xiàn)將精確驗(yàn)證引力波和黑洞理論，其重要意義不言而喻。2)FAST可以嘗試搜尋具有行星系統(tǒng)的脈沖星。這不僅是一種特別重要的脈沖星類型，還可能提供奇異夸克星存在的重要線索。FAST高精度測(cè)量不僅可以了解脈沖星輻射的精細(xì)特征(圖3)，還可確定其運(yùn)動(dòng)方向，探測(cè)愛因斯坦預(yù)言的脈沖星自轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)，以及特殊的磁星+射電脈沖星/雙脈沖星系統(tǒng)，X射線雙星吸積中子星的射電輻射。
圖3 脈沖星輻射示意
FAST高靈敏度觀測(cè)將會(huì)得到脈沖星的輻射區(qū)精細(xì)結(jié)構(gòu)，包括蜘蛛毫秒脈沖星掩食過程中輻射變化的細(xì)節(jié)，從而有助于認(rèn)識(shí)其等離子體環(huán)境;其高質(zhì)量的偏振研究將有助于探究掩食介質(zhì)的性質(zhì)。
3)有望發(fā)現(xiàn)新的態(tài)轉(zhuǎn)換毫秒脈沖星，促進(jìn)對(duì)毫秒脈沖星吸積再加速理論的理解，從而更加深入了解毫秒脈沖星的起源和演化。進(jìn)一步探索FRB的中子星自轉(zhuǎn)也是值得期待的創(chuàng)新課題。
