1、 现代天文学现代天文学 （诺贝尔奖天文学奖项回顾）（诺贝尔奖天文学奖项回顾） 讲授提纲讲授提纲 第六章 射电脉冲星与中子星1，中子的发现和中子星的预言2，贝尔和休伊什发现脉冲星3，“ 小绿人”和地外文明 4，脉冲星就是中子星5，中子星形成理论6，休伊什获1974年诺贝尔奖1，中子的发现和，中子的发现和中子星的预言中子星的预言 中子的发现中子的发现 直到1930年，物理学家还不知道原子核中有中子存在。 中子发现的意义远远超出原子物理学的范围，向天体物理学提出挑战：在宇宙中有没有“ 完全由中子组成的恒星？”中子星的预言中子星的预言： 1932年，发现中子后就预言中子星的存在； 1939年, 提出中
2、子星的结构 1934年，提出超新星爆发可以产 生中子星 1967年，指出蟹状星云中有一颗 自转的磁中子星 中子星的光度特别小中子星的光度特别小 光度是和恒星的表面积成正比，天狼星伴星的表面积比天狼星小1万倍，半径约为7000千米。中子星的半径10千米，光度小多少？ 答案是几十亿倍。 中子星在哪里呢？中子星在哪里呢？ 天文学家处于一问三不知的窘境，一是不知道中子星的辐射主要在射电波段；二是不知道中子星的辐射是脉冲形式；三是不知道中子星自转得是如此之快。这不是天文学家的过错，天文学研究的魅力所在，就是它常常出人意料。 蟹状星云能源之谜蟹状星云能源之谜 蟹状星云：射电、光学、X和射线辐射。把蟹状星云
3、所有频率上的辐射加起来，相当于十万个太阳的辐射。一团稀薄的气体，其能量来自何方？ 光学观测发现蟹状星云在膨胀，每年大约0.2角秒左右，而且膨胀速度在加快。星云膨胀加速度的能量由谁来提供？ 同步辐射：高能带电粒子磁场，高能电子来自何方？磁场是怎样形成的？ 帕齐尼预言帕齐尼预言 （1967年发现脉冲星之前）年发现脉冲星之前） 蟹状星云中的一颗中子星，每秒自转多次，具有很强的磁场，提供蟹状星云所需的能量。 休伊什观测蟹状星云休伊什观测蟹状星云 1965年他用行星际闪烁方法测出了蟹状星云中存在一个致密成分，其角径只有约0.2角秒，亮温度达到1014K。 当时他就指出这个致密成分可能是1054年超新星爆
4、发的遗留物。可惜，他并没有认识到这个致密源就是中子星。 2，贝尔和休伊什，贝尔和休伊什发现脉冲星发现脉冲星 休伊什生平休伊什生平 休伊什1924年5月11日出生，中学毕业后进了剑桥大学，学了一年参军。战争期间，他参与机载反雷达设备的研究，指导空军人员使用雷达干扰设备。 1946年第二次世界大战结束后休伊什回到剑桥继续学习，1948年毕业后被推荐进入卡文迪什实验室工作。1952年获博士学位后，在卡文迪什实验室成为赖尔的助手。 乔丝林乔丝林贝尔贝尔 乔丝林贝尔小姐是休伊什的博士生，当时24岁。 贝尔在英国格拉斯哥大学获物理学学士以后就想攻读天文学博士学位。她首选的是焦德尔班克天文台，可是由于工作人
5、员把她的申请丢失，她才到了剑桥大学。 行星际闪烁研究行星际闪烁研究 星星为什么向我们眨眼？地球大气对流层中空气密度的不规则变化和扰动对光波的影响。 地球的电离层对无线电波的作用也会产生闪烁。太阳系行星际空间充满着由太阳风所带来的密度不均匀的等离子体，它们也会使射电波发生闪烁。 行星际闪烁的特点行星际闪烁的特点 行星际介质对射电波所产生的闪烁现象是快速的，在秒的数量级。只有角径很小的射电源通过行星际空间才有闪烁现象。 类星体类星体 1963年，20世纪60年代四大发现之一。它们具有像恒星那样小的角径（小于1角秒），但不是恒星。有很大的红移，类星体是迄今为止天文学家所知道的距离最遥远、能量最大的天
6、体。 剑桥大学的闪烁望远镜剑桥大学的闪烁望远镜 1965年，决定采用行星际闪烁技术大规模地确认类星体。研制专门用于行星际闪烁的大型射电望远镜。 天线面积：长470米宽45米宽的矩形天线阵，由16排，每排128个振子天线共2048个振子组成。固定不动。 3.7米的波长： 闪烁比较强； 望远镜造价低，制造容易。 时间分辨率达到0.1秒。 繁重的观测和资料处理任务繁重的观测和资料处理任务 贝尔负责观测，每周重复巡视一次，每天记录纸有七八米。6个月的观测取得5.6千米的记录纸的原始资料。区分闪烁源和干扰成为每天必做的工作。在观测程序上，每隔一周重复观测一次，这样才能把干扰识别出来。贝尔发现不寻常贝尔发
7、现不寻常“ “ 闪烁源闪烁源” 67年8月，贝尔注意到一个发生在深夜的“ 闪烁源”。夜晚太阳风很弱，强闪烁源是不会发生在夜晚的。 在排除了人为干扰和确认这个信号遵守恒星时以后，休伊什认为可能是一颗来自太阳系之外的射电耀星。确认是来自太阳系外 的信号 对这个信号的监测发现，它遵守恒星时，而不是太阳时。 太阳日 太阳回到相对于地面同一位置便是一天，例如由中午至另一个中午。 恒星日 恒星返回天空同一位置为一恒星日。 由于地球公转的关系，一个太阳日比一个恒星日约长4分钟。一年中约有365个太阳日，366个恒星日。 贝尔再立功贝尔再立功 她又从过去多达5000米记录纸所记录下的资料中，又找到3个脉冲星。
8、其中一颗名叫PSR095008的脉冲周期仅0.25秒。作为脉冲星的最先发现者，贝尔的功绩是不可磨灭的。 确认发现脉冲星确认发现脉冲星 休伊什利用精确的时标，在改正地球轨道运动的影响之后，惊讶地发现脉冲周期可以精确到千万分之一秒。测出的周期是1.3372795秒。 终于确认脉冲信号是来自一种新型的天体脉冲星的辐射。当时取名为CP1919，CP为剑桥大学，1919是脉冲星的赤经。3，“ 小绿人小绿人”和地外文明和地外文明 “ 小绿人小绿人” 11月28日，贝尔成功地记录到这个信号的脉冲周期约为1.33秒。任何已知天体的辐射都不会是这样的短周期脉冲。这个脉冲信号强弱变化，很像电报。 休伊什提出可能是
9、在太阳系外围绕恒星作轨道运动的行星上的“ 小绿人”发出的信号。曾给新发现的脉冲星取名为： 小绿人1、2、3、4号贝尔女士在回顾脉冲星贝尔女士在回顾脉冲星 的发现时说的发现时说： “ 当我在搞一项新技术以取得博士学位，可一帮傻呼呼的小绿人却选择了我的天线和我的频率来同我们通讯” 检验检验 如果是来自太阳系外行星上的人为信号，这个脉冲信号中必然附加了行星轨道运动所产生的多普勒位移。他们经过一系列的实验，没有测出这种位移，从而否定了小绿人的看法。 地外文明是严肃的科学问题地外文明是严肃的科学问题 地外文明是人们长期 以来津津乐道的话题，大量的有关外星人的科幻电影和小说，把地外文明炒得沸沸扬扬。 地球
10、之外是否有生命？是一个严肃的科学问题、哲学问题，一个需要思考和探索的问题。 地外文明社会知多少？地外文明社会知多少？ 太阳系的地球是生命的摇篮，在宇宙空间有多少像太阳一样的单个恒星的行星系统？有多少像地球一样，有水，空气和适当的温度的行星？ 天文学家曾给出多个可能存在的文明社会的数学公式。 阿西莫夫计算结果阿西莫夫计算结果 银河系中拥有文明社会的 数目为53万个 平均100万个恒星中不到 2个 阿西莫夫公式阿西莫夫公式N=ABCDEFGHLM N：可能存在的文明社会的数目A：银河系中的恒星数 A31011个B：拥有行星系统的恒星百分比C：和太阳差不多的恒星百分比D：适合生物生存条件的恒星的百分
11、比E：有类似地球的行星的百分比L：可居住的天体中具有46亿年的历史M：文明社会的寿命 星际有机分子的存在星际有机分子的存在 天文发现星际空间存在大量的有机分子，如氢、氧、碳、氮、硫、硅等。前4种元素是组成生命单元的细胞的蛋白质和DNA的最基本的元素。 DNA是细胞核中的一种复杂的分子，储存了生命个体过程的信息。发生着孕育生命进化的过程。 关于飞碟关于飞碟 飞碟是人们发现的一些在空中飞行的形似碟子一样的不明飞行物。 人们坚信，在宇宙中，一定会有类似人的或更高级的生物。 既然地球人能发射飞行探测器去探索其他星球，为什么别的星球上的宇宙人就不能向我们地球发射飞船呢？ 飞碟是外星人乘坐的飞船吗？飞碟是
12、外星人乘坐的飞船吗？最近的恒星的行星如果有智能生物，要到地球来拜访，飞碟的速度能接近光速吗？即使如此，也要经过4.3100年才能到达。天文学家探测过太阳系中的行星和近处的恒星（100PC）没有发现那里有文明社会存在。 外星人到过地球吗？外星人到过地球吗？ 不少报道说，有人看见了乘飞碟来地球的外星人。却总是躲着藏着，不愿和人类打交道。 如果飞碟真是外星人乘坐的飞船，其科技水平远远超过我们地球社会，比我们强得多，不会怕我们。来地球的首要目的应该是和人类交流，不可能总是回避和人类见面、交谈？ 射电天文的发展使我们有可能检测和接收“ 外星人”发来的电讯。人们企图检测到外星人发来的电报的愿望更加迫切了。
13、 星际通讯 搜寻外星人拍来的电波信号 1960年开始搜寻地外文明的奥兹玛计划。使用美国国立射电天文台的25米的射电望远镜，在21厘米波段，对两颗最可能存在智能生物的恒星系统作了监测，没有检测到外星人发来的信号。4，脉冲星就是，脉冲星就是中子星中子星 脉冲星的观测特性之一 稳定而短的周期 脉动的射电辐射而得名。周期很短1.5毫秒8.5秒。 十分稳定，毫秒脉冲星周期特别稳定，可以和地球上的原子钟比美。5年观测起伏约0.3微秒。脉冲星的观测特性之二 周期缓慢的变长 脉冲星周期随时间十分缓慢地增加，变化率非常之小： ssp/10102013脉冲星的观测特性之三 周期突然变短 偶然发生脉冲星周周期突然变
14、短事件。意味着自转突然加快，脉冲星发生 “ 星震”脉冲星的周期是怎么来的？ 脉冲星的周期为什么这么短？这么稳定？还要缓慢地变长？ 天文上周期性现象是常见的，但都没有这样短。三种可能性，来自白矮星或中子星的： 1，双星的轨道运动周期 2，径向脉动周期 3，自转 自转效应的确认 双星轨道运动和径向振荡的周期演变规律是越来越短，而不是越来越长。 只有自转效应可以解释周期的稳定和变化规律。 自转中子星 在赤道上的线速度不能太大，如果离心力大于引力，赤道上的物质就要脱离这个天体而导致崩溃。 白矮星的半径比中子星约大600倍，因此所能达到的自转角速度要比中子星的小很多。所以只有中子星的自转能解释观测到的脉
15、冲星周期现象。自然期刊论文： 1968年2月，自然期刊论文： 脉冲星是一种极为奇异的天体射电源，它在太阳系之外，发射短暂而极有规律的无线电脉冲；它是某种密度非常大的星体，很可能就是中子星。 休伊什根据中子星径向振荡理论来解释辐射的脉冲性质却是不正确的。 为什么中子星的辐射 是周期脉冲信号 自转周期可以达到毫秒秒，但辐射和自转有什么关系？ 中子星有很强的偶极磁场，辐射只能从磁极区出来，就像灯塔一样只射出两束光。自转一次，脉冲星的辐射扫过观测者一次，形成一个脉冲。 脉冲星磁极冠模型脉冲星磁极冠模型 中子星具有非常强的磁场，在磁极冠区，带电粒子在磁场中运动发出曲率辐射，形成一个方向性很强的辐射锥，就
16、像灯塔发出的两束光一样。辐射锥的中心是磁轴。一般地，磁轴和中子星自转轴不重合，所以当辐射锥和中子星一起转动扫过地球上的射电望远镜时，我们就接收到一个脉冲。 脉冲辐射特性之一脉冲辐射特性之一1，平均轮廓形状平均轮廓稳定，形状长期保持不变。 纪录到的单个脉冲强度和形状变化很大。 把几百几万个脉冲叠加起来后得到的轮廓称为平均脉冲 平均脉冲形状1，一个周期360度，脉冲有宽有窄，一般只占周期的310。2，脉冲轮廓形状长期保持不变，如图中的实线。3，脉冲轮廓中显示出单峰，双峰，三峰，5峰等形状，显示有多个成分存在。 脉冲辐射特性之二脉冲辐射特性之二 平均脉冲形状可由辐射区的空心锥模型（早期）解释； 现在
17、流行2个（或1个）空心锥核模型；脉冲辐射特性之三脉冲辐射特性之三 有的脉冲星的脉冲轮廓有时会变为另一种稳定形状。 下图是乌鲁木齐25米射电望远镜观测到的PSR032954的脉冲形状突变。脉冲轮廓反常模式只停留暂短时间，然后返回正常模式。 脉冲辐射特性之四脉冲辐射特性之四 平均脉冲有很强的线偏振 很弱的圆偏振 线偏振位置角随脉冲部位不同而 变化，典型的呈S形 偏振特性由脉冲星的磁场和辐射区的几何位型决定 脉冲辐射特性之五脉冲辐射特性之五 平均脉冲强度随频率不同变化 低频强，高频弱，呈幂律谱； 最大值在400MHz附近，存在低频反转现象和高频折转现象； 脉冲星极冠模型的证据 Crab和Vela超新
18、星遗迹中的脉冲星的X射线观测1，中子星的两个磁极会有方向性很强的辐射和高能带电粒子流，会对周围的介质产生作用。2，因为磁极和自转轴不重合，每个周期绕自转轴转一圈，形成锥状。5，中子星的形成，中子星的形成 (不要求）不要求） 中子星的形成三步曲中子星的形成三步曲 中学基础知识：原子核，衰变、衰变、天然放射现象、同位素以及核能等。这些知识有助于我们理解中子星形成的机理。 衰变和逆衰变和逆衰变衰变 衰变：一个孤立的中子衰变为一个质子和一个电子及并发射一个反中微子的过程。 逆衰变：一个接近光速的电子和一个质子相碰便形成一个中子和一个中微子。 第一步：中子化过程第一步：中子化过程中子化过程：一个高能电子
19、打入原子核，和其中的质子相碰，产生逆衰变反应。核反应后，核子数不变，少了一个质子，多了一个中子，同时发射一个中微子。这个元素变为另一种元素。 中子化过程条件中子化过程条件 密度大于106克/厘米3 时，核外电子的能量大，可打进原子核，原子核中的中子数越来越多，质子数越来越少，形成了很多富中子核，这就是中子化过程。 第二步：第二步： 自由中子发射过程自由中子发射过程衰变：一个原子核放出由两个质子和两个中子组成的氦核，原子核衰变为另一种元素的过程。自由中子发射：当原子核中的中子越来越多，中子的能量大到一定程度时，中子就有可能跑出原子核。 条件：密度达到或超过4 x1011克/厘米3。第三步：第三步
20、： 原子核破裂形成中子流体原子核破裂形成中子流体 当密度超过1014克/厘米3以后，原子核便完全离解，其中的质子和电子相碰变为中子，成为中子的海洋。但是中子星内还存在着很少量的质子和电子。 简并中子气简并中子气 中子星壳层以下的中子流体是简并的，中子填满了所有的能量状态，大部分中子处于很高的能态，形成了极其巨大的简并中子气压。由于中子流体的密度已超过1014克/厘米3，致使简并中子气所形成的压力远远超过简并电子气，成为可以抗衡引起星体坍缩的引力，形成稳定的中子星。 中子星的质量上限中子星的质量上限 坍缩后所形成的致密星的质量如果大于2个太阳质量时，中子气简并压力也无法抗衡引力，星体便只能一直收
21、缩下去，形成黑洞。 极端物理条件极端物理条件超高密：每立方厘米约有一亿吨重；超高温：几亿度以上；超强磁场：1081014高斯;超强辐射；10251035尔格/秒;超流、超导；超强引力；6，休伊什获，休伊什获1974年诺贝尔奖和为年诺贝尔奖和为贝尔说公道话贝尔说公道话休伊什获休伊什获19741974年诺贝尔奖年诺贝尔奖 休伊什由于和贝尔一起发现了脉冲星，并把它证认为30多年前物理学家预言的中子星，震惊了科学界，获得了1974年诺贝尔物理学奖的殊荣。休伊什教授获奖是当之无愧的。 因错因错”立功立功 帕尔默辩解说，“要不是我把她的申请信丢了，那脉冲星到现在还没有发现呢！ 乔斯林贝尔如果不是参与当时最
22、高水平的行星际闪烁的观测研究的实践，也是无缘发现脉冲星的。 为乔丝琳为乔丝琳贝尔说公道话贝尔说公道话 诺贝尔物理学奖只授予休伊什一人，完全忽视了贝尔的贡献是不公正的。 为贝尔打抱不平的学者很多，泰勒和曼彻斯特两位的开放最有代表性。他们把写的脉冲星专著献给贝尔。 献给乔丝琳贝尔博士，没有她有洞察力的、百折不挠的努力，我们现在可能无法分享到研究脉冲星的这份快乐。 J.Taylor R.N. Manchester 国际天文学会脉冲星会议国际天文学会脉冲星会议 为乔丝琳为乔丝琳贝尔正名贝尔正名 90年在西德Bonn开会，论文集的第一页发表乔丝琳贝尔博士和休伊什教授在会议期间的合影，并冠以“ 脉冲星发现者乔丝琳贝尔博士和休伊什教授的再次会见”的文字说明。 在1980年国际天文学会脉冲星会议上贝尔贝尔和休伊什同被誉为“ 脉冲星发现者”第六章 要求1，简述脉冲星周期的特性。2，简述脉冲星的辐射特性。3，为什么说脉冲星就是中子星？4，为什么脉冲星发现者能获得诺贝尔物理学奖？5，向贝尔学习什么？选作题（自愿，考试不要求）：1，利用角动量守恒原理，解释中子星高速自转轴的原因。2, 利用磁通量守恒原理，解释中子星具有特别强的磁场的原因。
