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科學列車:脈衝星是如何出現的,科學家如何解釋脈衝星

簡介當某個地方發生了星系級超大質量黑洞的併合,就好比蜘蛛網上粘上了一隻小蚊子,產生的引力波引起蜘蛛網的時空漣漪,脈衝星的訊號到達地球的時間就會發生變化

脈衝怎麼產生

1967年8月6日,英國劍橋大學卡文迪許實驗室,來自愛爾蘭的年僅24歲的美女博士研究生喬瑟琳貝爾,在大量且紛亂的記錄紙帶中伏案工作,紙帶上記錄著射電望遠鏡接收到的來自宇宙的無線電訊號。突然,她察覺到-一個強勁的,每隔1。337秒出現一次的脈衝訊號,週期極其規則和精準。這個訊號來自狐狸座內的一個特定的區域。她的導師安東尼休伊什更具想象力地猜想這可能是外星人傳送的電報,正在向整個宇宙進行廣播,並且給它起了一個名字”小綠人”。接下來幾個月裡,貝爾和同事又發現不同天區存在著另外3個週期各異的脈神訊號源。顯然不可能有三個小綠人在不同方向、同時向地球發射不同的脈衝訊號。

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科學的理智戰勝了科幻的妄想。他們再經過射電望遠鏡的色散測量,得出脈衝訊號源來自距離地球幾千光年的地方,這意味著訊號源應當是銀河系中的某個天體。1968年,“脈衝星這個名字首次出現在英國《自然》雜誌刊登的論文中。脈神星的意外發現後來被稱為20世紀天文學的四大發現之一,為天文學和天體物理研究開闢了新的領域,對現代物理學的驗證產生了深遠的影響。這是人類發現的第4顆脈神星的音訊,有著1。1878s的脈衝週期,這可是1968年5月9日的珍貴錄音,錄製這段音訊的望遠鏡就是非常著名的位於波多黎各直徑30的大型射電望遠鏡阿雷西博”,它一直是我們尋找外星人重要裝備。

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如果看過電影《007:黃金眼》的朋友一定印象深刻。在整個相對連續的訊號週期內短時間產生的訊號就叫做脈神,也可以表示為一個物理量在短持續時間內突變後迅速回到其初始狀態的過程,就像我們人的脈搏一樣。想象一下,燈塔為什麼是一閃一閃的? 那是因為燈塔正以某個週期穩定地旋轉,當燈光束掃到你的時候就看到亮點,當光束沒有掃到你的時候呈現出來就是暗的,所以就-閃一閃的。只不過,脈衝星並非或明或暗地閃爍發光,而是時隱時現的無線電脈神。因此,天文學家馬上就猜測,望遠鏡所看到的這個週期性的脈衝訊號就是暗示著一個天體正在自轉,當這束無線電波掃過地球的時候,就被我們的射電望遠鏡記錄下來了。許多脈衝星的射電輻射非常強,但可見光輻射卻非常弱,目前已知的幾千顆脈神星全部都是肉眼不可見的。

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既然是電磁波, 那就一定與磁場有關係,所以脈神星的射電脈神一定是來源於 星體的磁極。跟地球一樣, 地磁南北極一定是磁場最強的地方,但磁極與自轉軸並不完全重合。脈衝星擁有極其強大的磁場,地球有磁場大約是0。5-0。6高斯,太陽的磁場總體也只有幾高斯,而大多數脈衝星的磁場強度高達1012高斯的磁場,也就是地球的1000億倍!人們發現脈衝星的脈衝週期都很短,也就意味著這個旋轉著的燈塔轉速非常快。船帆座脈衝星的脈沖週期是89毫秒,相當於1秒鐘轉1圈,這甚至超過了直升機旋翼的旋轉速度!迄今已觀測到的最慢的脈衝星的週期間隔也不過1。765735秒,而最快的脈衝星是2004年發現的, 週期只有0001396秒,即1。4毫秒一圈,或者說是一秒鐘轉716次。

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這些毫秒級的脈衝星就被稱為毫秒脈衝星,它們是現在天文研究最前沿的內容。脈衝星應該是個恆星,那麼它們為什麼會轉得那麼快呢?物理學裡有個非常重要的概念叫角動量,是物體繞軸的線速度與其距軸線的垂直距離的乘積。根據角動量守恆定律,物體繞軸旋轉線速度越大,它距自轉軸的距離就越短。如果要讓太陽的自轉週期減少到只有100毫秒的話,它的直徑將只有幾十公里!然而實際上,絕大多數脈衝星直徑都只有20公里左右。脈衝星不僅個頭小轉得快,而且自轉週期極為穩定,因為它幾乎完全靠消耗自轉能而彌補輻射出去的能量,因而自轉會逐漸放慢。但是這種變慢非常緩慢,以致於訊號週期的精確度能夠超過原子鐘,從而成為整個宇宙走得最準的鍾。

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在上世紀70-80年代,美國航天局發射了先驅者10號、11號, 旅行者1號、2號,攜帶著一張鍍金鋁板,如先驅者號上的那塊鋁板上畫著一個男人和一個女人的形象。那個男人舉起右手正在打招呼,而右手邊有著好幾條線條,實際上那就是脈衝訊號。這些是當時人們發現的銀河系中的14個脈衝星,我們認為脈衝星有著非常穩定的脈衝週期,既然我們能測定這14個脈衝星,如果當外星人的文明達到一定高度的話,他們的無線電技術,包括射電望遠鏡應該也不是問題,我們也完全有理由相信,他們會發現空中的脈衝星。另外, 有一個引力波研究專案正指望透過組建-一個 脈衝星網路來探測低頻引力波。LIGO探測到兩個恆星級黑洞合併產生了引力波,那個震盪頻率為300Hz。

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但如果是兩個超大質量黑洞的併合,其產生的引力波頻率要低得多得多,納赫茲就是10-9Hz,換算成時間就是10億秒才振盪一週, 探測難度是相當大的。研究人員認為我們可以標定許多個脈神星,組成- 張大網,就像蜘蛛網一樣,每一 一個脈神星連著一一條蛛絲,地球好比趴在蜘蛛網中央的大蜘蛛。蛛絲越多,探測的範圍和靈敏度越高。當某個地方發生了星系級超大質量黑洞的併合,就好比蜘蛛網上粘上了一隻小蚊子,產生的引力波引起蜘蛛網的時空漣漪,脈衝星的訊號到達地球的時間就會發生變化。是極其細微的變化,因為畢竟它本身走的非常準嘛。這種引力波產生的時空變化,就像蜘蛛網上發生的震動,根據震動的大小,地球這個大蜘蛛就知道產生“引力波”的獵物在哪個地方了。

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