什么是脉冲星？脉冲星是快速旋转的中子星

　　从地球上看，脉冲星看起来像闪烁的恒星。 （图片来源：MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）

　　据美国太空网（作者：罗伯特·李卡拉·科菲尔德）：脉冲星是快速旋转的中子星，以几秒钟到几毫秒的固定间隔发射辐射脉冲。

　　脉冲星具有强大的磁场，沿着磁极漏斗粒子，使它们加速到相对论速度，从而产生两束强大的光束，每极一束。根据加州大学，因为磁场的两极与脉冲星的自旋轴不对齐，粒子束和它们产生的光随着脉冲星的旋转而被扫过。

　　脉冲星的周期性是由这些穿过地球上视线的光束引起的，当光线背对着我们时，脉冲星似乎在“关闭”点。这些脉冲之间的时间是脉冲星的“周期”。

　　想象这是一把打开的剪刀在一个手柄上旋转。一个叶片朝上，这是旋转轴，而另一个叶片是光束。虽然旋转轴具有相同的方向，但光束的方向随着中子星的自旋而转动。

　　因此，实际上，脉冲星可以被认为是“宇宙灯塔”。尽管灯塔可能整夜都在发出光束，但受灾的水手只有在它面向他们时才会看到它。因为它们旋转得如此之快，所以看起来就像“闪烁”。

　　这也意味着“脉冲星”这个名字实际上可能具有误导性，因为这些中子星实际上并没有像天文学家曾经认为的那样，通过周期性地收缩和膨胀来脉冲。它们的脉冲只是它们相对于我们对它们的看法的方向的一个因素，它们的光输出基本上是一致的。

　　有两种类型的脉冲星，一种周期为几毫秒，这种周期随时间变化非常缓慢，称为毫秒脉冲星，以及其他脉冲星，称为“普通脉冲星”。

　　脉冲星是如何形成的？

　　宾夕法尼亚州立大学说，像所有中子星一样，脉冲星是在质量在太阳的四到八倍之间的恒星耗尽核聚变燃料时诞生的。（在新选项卡中打开）.当较轻的元素与较重的元素的融合停止时，支持大质量恒星抵抗自身巨大引力向内压力的能量的产生也停止了。恒星一生所享受的平衡结束了，它开始崩溃。

　　随着坍缩的进行，恒星的外层在超新星爆炸中被吹走，只有大质量恒星的铁核含有相当于太阳的质量，大约是我们恒星的1.5倍。根据美国宇航局戈达德的说法，这压碎成不超过12至17英里（19至27公里）的宽度，大约是地球上一个城市的宽度。

　　这产生了由95%中子组成的中子星物质，因为坍缩迫使电子和质子在一起。根据美国宇航局的说法，构成中子星的物质非常致密，仅一茶匙就重达40亿吨。这相当于一万个帝国大厦堆放在一个小勺子上！

　　这种超致密物质被阻止进一步挤在一起，因为恒星核心的质量无法克服其中子的量子特性。如果恒星的质量足以压倒这种效应，中子星将继续坍缩，直到它变成黑洞。

　　具有太阳质量的恒星永远不会成为中子星，相反，我们的恒星将在氢耗尽后结束其生命，融合成氦，成为称为白矮星的阴燃恒星残骸。

　　核心坍缩的过程可能是导致年轻中子星像脉冲星一样快速旋转的原因。把这想象成一个溜冰者在怀里画画。当他们这样做时，滑冰者旋转得更快。这类似于坍缩的恒星核心的直径迅速缩小。

　　关于为什么毫秒脉冲星旋转得更快，一种理论是它们诞生于双星系统中的大质量恒星。在中子星的形成过程结束后，新生的中子星从其紧密的双星伴星中剥离了物质。这将角动量从多纳星转移到“馈送”的中子星，从而增加其旋转或“旋转”。

　　艺术家对脉冲星虹吸物质远离伴星的印象，导致毫秒脉冲星的形成。（图片来源：版权所有NASA/CXC/M.Weiss）

　　所有的中子星都是脉冲星吗？

　　简而言之，所有的脉冲星都是中子星，但并非所有的中子星都是脉冲星。

　　到目前为止，我们发现的大多数中子星都是脉冲星，但那是因为它们比中子星明显得多。随着大型辐射信标从磁极爆炸出来，天文学家可以比小而暗淡的中子星更容易观察这些宇宙灯塔。

　　然而，一些脉冲星可能无法从地球上观察到，因为它们的辐射光束永远不会朝向我们。

　　我们可以相当肯定脉冲星正在快速旋转中子星，因为在超新星的残骸中已经发现了年轻的脉冲星，而这正是中子星有望被发现的地方。

　　其他目前看起来不是脉冲星并且看起来像非旋转中子星的中子星可能曾经是脉冲星，但导致它们发射辐射束的过程可能已经“关闭”或发射可能太弱而无法观察到。脉冲星的平均寿命约为1000万年，随着年龄的增长，它们的旋转速度减慢。

　　因此，如果不是所有的中子星都是脉冲星，那么这些奇特的残骸如何最终会像强大的宇宙灯塔一样呢？

　　谁发现了脉冲星？

　　这些螃蟹脉冲星的图像，钱德拉X射线天文台在几个月内拍摄，显示中心有明亮的白色脉冲星，以及喷出的物质射流。（图片来源：NASA/CXC/ASU/J.Hester et al.）

　　1932年物理学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick），中子星的概念最早是由列夫·朗道（Lev Landau）在1934年预言的在苏联，分别由沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基同年在美国。

　　五年后的1939年，罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）和乔治·沃尔科夫（George Volkoff）将开发中子星的理论模型，但第一颗脉冲星形式的中子星还需要三十年才能被发现。

　　1967年，剑桥的射电天文学家参与了类星体的搜索，并开发了一种能够检测无线电波强度的快速和随机变化的仪器，保存了这些信号以供以后分析。

　　在剑桥卡文迪什实验室进行研究的24岁新霍尔研究生乔斯林·贝尔（Jocelyn Bell）在安东尼·休伊什（Antony Hewish）的监督下，发现了神秘的高度规则信号，与受太阳风影响的类星体预期的随机信号非常不同。

　　这些信号是如此有规律，以至于当它们第一次被发现时，它们被归因于人类活动。当人们推断出这些高度规则的信号一定来自宇宙时，有人认为它们可能是智能外星生命的结果。

　　这导致这些脉冲的来源赢得了“LGM1”或“小绿人1”的诙谐名称。当然，贝尔和休伊什继续发现发射的实际来源是一颗周期为1.3373秒的脉冲星。这颗脉冲星现在有一个稍微不那么耸人听闻的名字PSR B1919 + 21。

　　剑桥大学说截至今天，已经发现了3000多颗脉冲星，虽然这些脉冲星最初是在无线电波中发现的，但我们已经在X射线，伽马射线甚至可见光中发现了这些宇宙灯塔。

　　脉冲星极端：脉冲星的旋转速度有多快？

　　像所有中子星一样，脉冲星的质量和大小受到相当严格的限制，大多数中子星的质量约为太阳的1.5倍。脉冲星变化很大的一个方面是它们的旋转速率。有些以每秒数百次的速度旋转，美国宇航局说比家用搅拌机的刀片还快。

　　2022年，天文学家发现了迄今为止最重的中子星，质量是太阳的2.35倍，这也是银河系中有史以来旋转最快的脉冲星。被命名为PSR J09520607的脉冲星也被称为黑寡妇脉冲星，因为它被认为通过消耗伴星双星达到了破纪录的旋转速度和质量。

　　黑寡妇脉冲星以707赫兹（HZ）或每秒707次的速度旋转。其顶部是脉冲星PSR J1748-2446ad，它以716 HZ或每秒716次的速度旋转。

　　1974年，拉塞尔·艾伦·赫尔斯和小约瑟夫·胡顿·泰勒马萨诸塞大学阿默斯特分校的阿默斯特发现了另一种极端类型的脉冲星，它存在于一个有中子星的双星系统中。

　　这种类型的脉冲星系统被命名为Hulse-Taylor二进制，对于希望研究阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的局限性以及研究引力波的天文学家来说，已经变得非常重要，引力波是时空结构中的微小涟漪，从宇宙中最强大和最暴力的事件和物体传播。

　　脉冲星的用途

　　天空地图，显示用费米伽马射线望远镜上的LAT仪器探测到的伽马射线脉冲星。上图是用LAT探测到的伽马射线脉冲星：CGRO PSR（加号），年轻的无线电选择（圆形），年轻的伽马选择（方形）和MSP（钻石）。（图片来源：Fermi-LAT/GSFC）

　　脉冲星是科学家研究各种现象的绝佳宇宙工具。

　　脉冲星发出的光携带有关这些物体及其内部发生的事情的信息。这意味着脉冲星为科学家提供了有关中子星物理学的信息，中子星是宇宙中最密集的物质（黑洞内物质发生的情况除外）。在如此难以置信的压力下，物质的行为方式在宇宙中任何其他环境中都是前所未有的。中子星内部物质的奇怪状态就是科学家所说的“核意大利面”：有时，原子排列成平板，如千层面，或螺旋状，如fusilli，或小块，如面疙瘩。

　　一些脉冲星也被证明非常有用，因为它们的脉冲精度很高。有许多已知的脉冲星以如此精确的规律闪烁;它们被认为是宇宙中最精确的自然时钟。因此，科学家可以观察脉冲星闪烁的变化，这可能表明附近空间正在发生某些事情。

　　正是通过这种方法，科学家们开始确定围绕这些致密物体运行的外星行星的存在。事实上，在地球太阳系外发现的第一颗行星是围绕脉冲星运行的。

　　由于脉冲星在太空中移动，同时每秒闪烁固定次数，科学家可以使用许多脉冲星来计算宇宙距离。脉冲星位置的变化意味着它发出的光或多或少需要时间才能到达地球。由于脉冲的精确计时，科学家们已经进行了一些最准确的距离测量。的宇宙物体。

　　脉冲星已被用于测试阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的各个方面，例如万有引力。

　　脉冲星的常规时间也可能被引力波破坏 - 爱因斯坦预测的时空涟漪，并在2016年2月首次直接探测到。目前有多个实验通过这种脉冲星方法寻找引力波。

　　在这些类型的应用中使用脉冲星取决于它们在旋转中的稳定程度（从而提供非常规律的眨眼）， 斯科特·兰塞姆，弗吉尼亚州夏洛茨维尔国家射电天文台（NRAO）的一名天文学家说。

　　所有脉冲星在旋转时都会逐渐减速;但是那些用于精确测量的装置正在以令人难以置信的缓慢速度减慢，因此科学家们仍然可以将它们用作稳定的计时设备。

　　脉冲星墓地

　　美国宇航局（NASA）的脉冲星插图，脉冲星是一颗快速旋转的中子星，周期性地指向地球的辐射爆发。（图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心）

　　所有脉冲星都会随着年龄的增长而逐渐减慢。脉冲星发出的辐射由其磁场和自旋共同提供动力。结果，减速的脉冲星也会失去功率，并逐渐停止发射辐射（或者至少，它停止发射足够的辐射供望远镜探测），哈丁说。迄今为止的观测表明，脉冲星在无线电波之前下降到伽马射线的探测阈值以下。当脉冲星达到生命的这个阶段时，它们就会进入所谓的脉冲星墓地。（停止发射的脉冲星可能被天文学家认为是普通的中子星）。

　　当脉冲星从超新星的残骸中形成时，它会快速旋转并辐射出大量能量，Ransom说。经过充分研究的蟹脉冲星就是这样一颗年轻脉冲星的一个例子。这个阶段可能会持续几十万年，之后脉冲星开始减速，只发射无线电波。他补充说，这些“中年”脉冲星可能构成了被确定为仅发射无线电波的脉冲星种群的大部分。这些脉冲星存活了数千万年，最终减速到“死亡”并进入脉冲星墓地。

　　但是，如果脉冲星位于恒星伴星附近，它可能会被“回收”，这意味着它从邻居那里吸取物质和能量，将其自旋增加到每秒数百次 - 从而产生毫秒脉冲星，并赋予曾经死亡的脉冲星新的生命。这种变化可能发生在脉冲星生命中的任何时间，这意味着“垂死”脉冲星的旋转速度可以在数百到数百万年内增加。脉冲星开始发射X射线，这对物体被称为“低质量X射线双星”，Ransom说。（这些同类相食的脉冲星被称为“黑寡妇”脉冲星或“红背”脉冲星，指的是已知会杀死同伴的两种蜘蛛）。毫秒脉冲星是已知最古老的脉冲星 - 有些已经有数十亿年的历史，并且将继续以这种高速率旋转数十亿年。

　　脉冲星并不是宇宙中子星的唯一极端例子。磁星是一种中子星，被认为拥有宇宙中最强大的磁场。