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第三讲、脉冲星与中子星1、中子星理论上的预言2、射电脉冲星的发现与中子星3、中子星的理论模型4、1968年后掀起的观测与研究脉冲星热潮5、第一对双脉冲星发现与引力波的检测6、SN1054遗迹与中子星7、脉冲星与诺贝尔物理学奖右图：1974年诺贝尔物理学奖获得者,英国剑桥大学天文学教授休伊什和脉冲星直接发现者贝尔（女）博士在1980年合影。贝尔博士现为英国公开大学物理系系主任、教授。国际天文学会提案委员会委员。脉冲星的发现者休伊什教授简介休伊什教授1924年5月出生在英格兰一个银行家的家庭。剑桥大学毕业，1952年获博士学位。他主要从事射电天文学研究工作。1974年，因在射电天文学方面的先驱性工作、特别是在发现脉冲星所起的决定性作用，获得诺贝尔物理学奖。休伊什教授对天体物理学最重要的贡献是发现脉冲星并对脉冲信号的起源做了严密的科学论证。他设计了一台81.5兆赫兹相控天线阵。具有高灵敏度、高时间分辨率、长波观测和可重复测量整个天空等性能。休伊什教授根据致密星振荡理论解释了电磁辐射的脉冲性质。1965年,休伊什教授发现蟹状星云中存在一个致密成分,其角径只有0.2角秒,亮度达到10¹⁴K,他认为是SN1054爆发遗留物。1968年秋，美国天文学家确认SN1054爆发遗留物为脉冲星。一、中子的发现与中子星的预言1、中子的发现起初人们认为，原子核的质量等于它含有的带正电荷的质子数。但研究发现：原子核内带正电荷的质子数与原子核的质量不相等。也就是说，原子核除了含有带正电荷的质子外，还应该含有其他粒子。1920年，查德威克的恩师、原子核研究的先驱者卢瑟福预言：根据理论计算，原子核内一定存在不带电的中性粒子。查德威克和其他研究者一样，努力试图发现这个不带电的中性粒子，即中子的存在。发现过程：1931年，约里奥.居里夫妇公布了，有关石蜡在铍射线照射下，产生大量质子的发现。该论文中写到：“当铍射线遇到石蜡时，铍射线被石蜡挡住了，同时还从中打击出了大量质子。”查德威克立刻意识到，这种铍射线很可能是由中性粒子组成。查德威克立刻着手研究居里夫妇做过的实验。他用云室测定铍射线粒子的质量，结果发现这种粒子质量和质子一样，而且不带电。查德威克称它为中子。查德威克之所以这样认为，是因为铍射线在撞上石蜡这一瞬间，铍射线停住了。而本来静止不动的质子却飞了出来。因此，铍射线的质量应该和质子的质量相同。铍射线与质子相比，铍射线的穿透力要大得多。对这一现象的解释只能得出：铍射线不带电。因为铍射线在穿透物质的过程中，没有受到任何电的引力或排斥力的影响，所以铍射线的穿透力较强。查德威克发现了与质子质量相等、但不带电的中性粒子，即中子存在。英国物理学家查德威克（著名的原子物理学家卢瑟福的学生），在1932年发现了中子。由此知道了原子核是由中子和质子组成的。他因此获得了，1935年的诺贝尔物理学奖。2、中子星的语言查德威克发现中子仅几个小时后,苏联的著名物理学家朗道便预言：“宇宙中存在着由自由中子组成的中子星,它非常小,非常致密,辐射非常微弱”。1934年，德国天文学家巴德和瑞士天文学家兹维基各自提出了比较完整的中子星理论模型并指出：“大质量恒星演化到超新星爆发后遗留物,是因为恒星的塌缩而在其核心处形成了中子星”。1939年，理论物理学家奥本海默和沃尔科夫提出：如果这种天体存在,质量不会超过太阳质量的二倍、半径不到20km、其密度将大得惊人比白矮星还要高出七八个数量级。以上均是理论上对中子星的预言,究竟有没有中子星还得通过天文观测来证实!在1932年以后的20多年里,地面光学天文观测并没有观测到中子星。观测不到原因主要是中子星太小、太暗和太遥远了。直到20世纪60年代，采用天文射电望远镜发现脉冲星后,大量观测和研究证实,观测所发现的脉冲星就是理论家们预言的中子星。二、射电脉冲星的发现与中子星中子星预言后,天文学家并不知道如何去发现这种高密天体。中子星是英国天文学家休伊什和他的研究生乔斯林.贝尔在1967年进行射电源星际闪烁的观测过程中，偶然地发现了脉冲星。脉冲星的观测特征符合理论预言即中子星的判据。休伊什教授获得了1974年诺贝尔物理学奖。1、射电天文望远镜射电望远镜棒形天线阵1967年，贝尔博士发现第一颗脉冲星使用的射电天文望远镜。天线阵长470米、宽45米。天线阵共有16排,每排128个振子,共计2048振子。天线接收面积达2万1千平方米。2、射电源的星际闪烁现象星际闪烁现象：是射电源发出的无线电波，在经过星际介质时，由于星际介质中含有带电粒子的影响，形成射电源的亮度忽强忽弱变化的现象。星际介质：是指恒星与恒星之间、星系与星系之间的弥漫物质，它是由气体和尘埃组成。观测表明：只有角径很小的射电源，通过星际介质才会有闪烁现象发生。在米波段角径小于0.5~1角秒的射电源才会有闪烁。3、脉冲星的发现1967年，剑桥大学新造一台天文射电望远镜、波长3.7米，观测射电源的星际闪烁现象。1967年7月,贝尔女士开始对一批射电源进行星际闪烁观测。她的任务之一是判别闪烁源和干扰信号，并将二者区分开来。8月,贝尔注意到一个夜晚出现的不寻常“闪烁源“。然而在这个方向上,并没有要观测的射电源。她排除了干扰信号的可能,紧紧盯着这个闪烁源,并将这一情况报告给导师休伊什教授。由于，这个源时隐时现,直到11月28日贝尔博士才完美地把这个源的起伏信号记录下来。贝尔博士发现它是一系列强度不等，但时间间隔约为1.33秒的脉冲信号。第一颗脉冲星原始观测记录后来，贝尔从她长达5000多米的观测记录中,又发现了三颗脉冲星，其脉冲信号源在天空的不同方位。贝尔博士一共发现四颗脉冲星。由于受当时科幻小说有关外星人的影响，最初以为是地外高等智慧生命---外星人（通常说成：身材矮小、全身发绿）发来的电报。正如贝尔女士当时所说的，“我在这儿搞一项新技术拿博士学位，可一帮傻乎乎的小绿人却选择我的天线和我的频率同我们通信。”最初，休伊什教授和贝尔博士将这一发现命名为：LGM-1,2,3,4(小绿人1号，2号，3号，4号)。最后，他们经过慎重和多方面考证，否定了是外星人发来的信号。认为信号源应是宇宙空间一个特殊天体产生的信号，定名为脉冲星。取名为CP1919,CP为剑桥大学脉冲星的简称,1919为脉冲星的赤经值。目前国际上用脉冲星的英文pulsar的简写PSR后面加脉冲星的赤道坐标值(αδ)。CP1919命名为：PSR1919+21(1919是赤经值19时19分；+21是指赤纬值21⁰、+指位于天赤道以北)休伊什和乔斯林.贝尔发现脉冲星的论文发表在1968年2月的英国自然杂志上,并指出脉冲星密度非常大,很可能就是中子星。4、脉冲星是高速自转的磁中子星1968年康奈尔大学理论天体物理学家托马斯·戈尔德提出：脉冲星是高速自转的磁中子星。该理论认为：中子星具有强磁场，是运动的带电粒子发出的同步加速辐射，并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，就能接收到一个脉冲信号。中子星的脉冲周期就是中子星的自转周期。如果地球不处在脉冲星射电波束扫过的区域内，就不会收到脉冲信号。(参看下页中子星理论模型)脉冲星是高速自转的磁中子星脉冲星是高速自转的磁中子星理论，成为证认中子星的最关键一环。从此,人们对脉冲星就是高速自转的磁中子星的结论深信不疑。1974年，休伊什因此获得了诺贝尔物理学奖。脉冲星高速自转时，因为能量的损耗，造成转动速率降低、转动周期变长。由此，可以判断转动周期短的脉冲星要比转动周期长的脉冲星年轻。脉冲星在高速自转时，因为能量的损耗，造成转动速率降低，超过几百万年的脉冲星会因为转速太慢，没有辐射信号。5、超新星遗迹与中子星1968年秋,在超新星SN1054遗迹,蟹状星云中发现一颗脉冲星。不但再一次证明蟹状星云是900多年前一个超新星爆发的遗迹，也为超新星爆发后产生中子星的理论论断,提供了有力的科学依据。(见下页图)。在1968年秋,几乎与蟹状星云中发现脉冲星同一时期,在船帆座超新星遗迹也发现一颗脉冲星。再一次为超新星爆发后在爆发后遗迹产生中子星的论断,提供了有力的科学依据。(见下页图)。1968年秋，美国射电天文学家在SN1054遗迹蟹状星云中发现一颗脉冲星即中子星。1968年船帆座超新星遗迹中发现脉冲星即中子星6、天文学界对贝尔博士给予高度评价1980年,在波恩召开的国际天文学会第95次大会脉冲星专题会议特邀贝尔女士出席。并在会议论文集的第一页登载了贝尔教授和休伊什教授二人合影照片。题写：“脉冲星发现者的再次会见”贝尔博士虽然没有获得诺贝尔物理学奖，但天文学界和天文学家们家并没有忘记她在脉冲星发现上的卓越贡献。贝尔两次来中国：一次访问、一次开会。正是由于贝尔博士的精细过人的工作作风和坚忍不拔的科学态度，才能从一大堆干扰信号中，发现不寻常的闪烁源，最终发现了脉冲星。正如后来的脉冲星专家曼彻斯特和泰勒合著的《脉冲星》一书第一页所写的那样：“没有她有洞察力的、百折不扰的努力，我们现在可能无法分享到研究脉冲星的这份快乐。”贝尔博士现为英国公开大学物理系系主任、教授。国际天文学会提案委员会委员。三、1968年掀起观测脉冲星热潮1967年休伊什教授和贝尔博士发现脉冲星以后，美国、英国和澳大利亚等国大型射电望远镜相继投入到脉冲星的发现与研究工作。1968年获得博士学位的J.泰勒和哈佛大学同事提出利用美国国立射电天文台的92米射电望远镜观测脉冲星计划。他们很快就发现了第五颗脉冲星。1973年，泰勒教授和他的博士研究生赫尔斯，使用美国阿雷西博305米射电望远镜进行脉冲星巡天观测与研究工作。Arecibo射电望远镜美国阿雷西博天文台305米射电望远镜赫尔斯是把脉冲星巡天观测与研究作为博士论文选题。这次巡天工作取得了辉煌成果，在140平方度天区，发现了40颗脉冲星。这个天区过去曾有人观测过。这一成果，使从1967年发现第一颗脉冲星到1974年观测到的100颗脉冲星又增加了40颗。更为重要的成果，赫尔斯在他发现的40颗脉冲星中，1974年发现有一颗周期仅为0.059秒的脉冲星PSR1913+16竟是一颗脉冲双星。J.泰勒教授利用1974年发现的脉冲双星PSR1913+16（第一颗）轨道周期变化进行广义相对论引力波验证。四、双脉冲星与引力波的检测1、引力波引力波最早提出是在1905年，数学家庞伽莱就猜测可能存在以光速传播的引力波。广义相对论则认为：如果引力源附近的时空弯曲发生变化,这种变化就会以光的速度向远方传播,这就是所谓的引力波。或说以波动形式和光速传播的引力场。2、引力波的主要性质1）、在真空中以光速度传播。2）、引力波携带能量和与波源有关的信息。3）、物质对引力波吸收效率极低，几乎无阻碍穿过地球。4）、引力波的辐射强度极弱。3、爱因斯坦关于引力波的一篇论文1937年,爱因斯坦完成一篇关于引力波的论文,结论是不存在引力波。该文投到美国的物理评论。审稿人罗伯特教授认为有错误,结果稿件被退回。爱因斯坦十分不理解和生气。后来，爱因斯坦跟他的学生也是朋友的英费尔德谈了这件事。英费尔德为此请教了罗伯特教授。罗伯特教授指出了这篇论文的具体错误。爱因斯坦在仔细研究罗伯特教授意见之后,承认了自己的论文是有错误。经修改的论文,其结论是存在引力波。该论文最后转投到另一家杂志社并发表了。4、引力波与脉冲双星（双中子星）广义相对论认为：如果有两颗中子星彼此靠的很近,并因强大的引力作用而互相绕转,那么被吸积的星体一定会发出颇为可观的引力波。这时引力波辐射，会把双星的能量慢慢地带走，使整个双星系统的能量逐渐变小。同时将会出现双星轨道半径缩小、周期变短、两颗星间距离，将逐渐靠近甚至出现并和现象。人们只要观测到脉冲双星轨道周期随时间的变化,双星轨道半径变小，就可以间接地验证，广义相对论关于引力波的存在。5、利用脉冲双星系统检测引力波泰勒教授意识到：1974年发现的第一对脉冲星双星PSR1913+16有可能揭开引力波这个迷。第一对脉冲星双星是双中子星,目前两星间没有观测到有物质转移、两星靠的很近、轨道周期仅有