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是什么？我们已经知道，产生脉冲星辐射的空间范围一定是非常小的。那么，为了解释脉冲星现象，试问在一很小空间内有哪些过程进行得既快速，重复得又那样精确呢？是像造父变星那种类型的恒星胀缩过程吗？果真是脉动变星的话，那么它们的密度一定非常大，因为只有这样，它们的振荡周期才可能很短。让我们回想一下，造父变星的周期是好些天，而我们在寻觅的天体甚至能在百分之几秒内振荡。即使是我们所知密度最大的
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恒星——白矮星，振荡周期也没有那样短。我们不禁要问，是不是还存在着密度更大的恒星，也就是说，密度每立方厘米好几吨的白矮星对比它们如同小巫见大巫的那种星体？在人们对脉冲星有所知晓前好多年，帕萨迪纳的两位天文学家就曾有过这样的设想。30年代，德国出生的瓦尔特·巴德在当时世界最大的望远镜旁工作。他可以称得上是本世纪最优秀的实测天文学家之一。这个帕萨迪纳研究组的另一位成员是同样富于想象，并习于争论的瑞士人弗里茨·慈威基（FritzZwicky）。早在1934年，这两位天文学家就已提出，密度极高，物质几乎完全由中子组成的实际恒星是可以想象的。1939年，物理学家J·罗伯特·奥本海默和乔治·M·沃尔科夫（GeorgeM。Volkoff）在美国物理刊物“物理评论”上发表了一篇关于中子星的学术论文。不过，远在天体物理学家们认真研究中子星之前，这篇文章的作者之一就已名扬全球，因为奥本海默在美国的原子弹研制中起了主导作用。经奥本海默和沃尔科夫的研究后，人们了解到，电子和质子全都结合成中子的物质能够形成由本身引力维持不散的恒星类型的气体球。知道了中子物质的特性，就能对这种中子星进行理论计算。计算出来的中子星“恒星模型”表明这种星的密度极高，相当于把太阳的质量挤缩在一个直径为30公里的球内，每立方厘米包含的中子物质有几十亿吨之巨（见图8…9）。如果能让中子星振荡起来，那么它们的频率应该比脉冲星快得多。所以，要问是什么原因使脉冲星那样规律地掌握时间，形成了脉冲星的周期，那么中子星的振荡也决非答案。■这样，我们又兜回原地来了。寻觅了一番可能振荡得极快的高密态恒星类型的天体，我们发现，白矮星太慢，而设想中的中子星却太快了。托马斯·戈尔德解释脉冲星天文界的同行们称他为汤米（Tommy）。他出生在奥地利，1938年希特勒军队开进去以前避难于英国。他在英国学习，和同时避难于英国的赫尔曼·邦迪（HermannBondi）以及弗雷德·霍伊尔一起工作了一段时期，然后去美国。发现脉冲星的新闻传遍世界的那些天，他正执教于纽约州伊萨卡的康奈尔大学。当时大批的，多数是企图挽救脉动假说的，草草出笼的理论解释文章正充斥各种学术刊物，汤米·戈尔德的思考却转到另一方向。天上各种规律性最强的周期过程中还包含天体的转动。太阳每27天绕本身的轴转动一周，有的恒星自转远比这快得多。可以问，脉冲星那样规律性的周期是否可能和一种自转过程有某些关系？这就是设想一个天体要在一秒内绕本身轴自转一周，对蟹状星云脉冲星来说甚至要自转30周。但是恒星自转的快速程度并非没有限度，转速太急会被离心力撕裂。
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只有那些表面重力非常巨大的恒星才能绕本身轴急速自转。白矮星最快大约每秒能转一周，如果叫它以蟹状星云脉冲星的周期去急转，离心力早就把它撕碎了。只有密度更大的恒星才能转得更急速。再来看中子星，脉冲星周期现象的时间控制因素会不会就是中子星的自转，也就是，一颗中子星能不能在几分之一秒内绕轴自转一周？这完全可能，它的重力足够强大，哪怕要它转得远比这样还快得多也行。天体物理界人士目前都公认汤米·戈尔德把脉冲星解释为自转中子星的假说是最合理的。此外，脉冲星周期的逐渐变长就使人推想，中子星的自转会随着时间的推移而变慢。这看来很合乎道理，因为照此说法脉冲星所放出的射电和可见光辐射能的源泉也许就在于中子星的自转能。那么，光是放出辐射这件事看来就足以使中子星的自转逐渐慢下来，但是这种减慢作用的威力还不止于此。据估算，蟹状星云脉冲星变慢所不断释放出来的自转能，不仅维持着脉冲星的辐射，甚至还担负着整个星云发光的消耗。这一结果还帮助我们去解决另一个难题。普通气体星云，像图7…5的行星状星云或图12…1的猎户星云的光是由原子所发射的，蟹状星云发光的原因则完全不同。蟹状星云中的电子运动得几乎和光线一样快，它们在超新星爆发时获得了极高的速度。这些电子在星云的磁场中被迫沿圆形轨道运动，并以光线的形式把能量发射出来。曾经有个难题是，公元1054年以来，这么多年了，这些电子为什么还是运动得那样快？既然发射能量，它们为什么没有慢下来？照说它们的辐射应该愈来愈弱，蟹状星云的亮度愈来愈暗。显然它们应该是从某处得到了补充的能量。现在我们已经找到了这个能源。如果汤米·戈尔德的理论正确，蟹状星云中的自转中子星可能通过它的磁场把能量输送给附近的气体。中子星在星云中就像一根搅拌棒在使劲搅动，使电子保持其速度，使蟹状星云不失其光辉。这个中子星的自转能还够用几千年。虽然我们已经找到了一种至少能解释脉冲星规律性时间变化的作用过程，但是我们还不明白，其中的射电辐射究竟是怎样产生的。因为接收到的不是普通波形，而是在一个周期的绝大部分时间中空缺，随之又在极短时间内集中了极多能量的脉冲式辐射，那么只能设想，星体沿某特定方向发出辐射，自转使它那探照灯般的光束按一定的时间间隔一次又一次地扫到我们这里，就像一座灯塔发出旋转的光扫到一只船上那样。中子星可能类似于我们地球，具有磁场，只是远比地球强得多，在讲X射线星的第10章里我们还要谈这个问题。假定磁轴与自转轴并不一致，地球也正是这样，中子星自转时，带动其磁场一起转。不妨这样设想（见图8…10）：中子在自转磁化中子星的表面变成电子和质子，表面的强电场使带电质点抛离中子星。这些粒子沿磁力线飞向空中，它们的能量足以使蟹状星云在它诞生后千余载的今天还在发光。由于带电粒子横穿磁力线特
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别费劲，它们大多数都在磁极区离开中子星，沿着弯曲的磁力线以巨大的速度向外飞去。图8…10就示意这种情况。飞离中子星的粒子之中最轻的是电子，运动速度也最快，大致接近光速。电子以这样的高速沿曲线轨道飞行时要发射出能量，这种能量不是均匀地发往四面八方，而是高度集中在电子的飞行方向。这就意味着，辐射离开中子星往外传播的方向就是中子星磁力线的指向，所以它是在两个锥状的空间区域中发射出去的。因为磁场跟随中子星转，两个辐射锥也转。从一位远方的观测者看去，只有当他被两锥之一扫到时才能接收到辐射。从他那里看起来，中子星在按它的自转周期等间隔地闪亮。在这样一幅当代天体物理界许多人士认为基本正确的设想图中，我们被沿着中子星两极磁力线方向发出的辐射打中，正像被一座灯塔的旋转光柱扫到一样。■尚待解决的若干问题1969年春，两处天文台各自发现，有一颗脉冲星缩短了相邻脉冲的时间间隔，中断了脉冲周期缓缓变长的进程，此后又恢复到和以前相等的状态（见图8…11）。既然我们已经了解，脉冲星是自转中子星，受到周围介质的阻尼作用而变慢，那么，它为什么又会突然变快呢？■这种变化的形式是突然颤动。核物理学家比天体物理学家更善于和中子打交道，他们认为，中子星表面已形成硬壳，而这部分物质在超新星爆发所留下的中子星的冷却过程中有时会像土块那样散裂。在这种情况下，如果中子星再稍为收缩，它的自转速度就变快。这就是已经记录到好多次的周期突然变短的解释吗？地壳内的较大变动会引起地球自转周期也就是一天长度的变化。我们是不是观测到了脉冲星的类似现象？周期突变是在告诉我们中子星星震的信息吗？1974年，罗素·A·赫尔斯（RussellA。Hulse）和约瑟夫·H·泰勒（JosephH。Taylor）发现了一个新脉冲星，它的周期（59毫秒）之快当时仅次于蟹状星云脉冲星，而名列第二，但至关紧要的还不是这点。它的脉冲间隔显然不等，而是相互挤紧一些，然后又相互分开，每天如此反复三周。这种现象的示意情况可见图10…4，那是另一场合，因为它对那里所讲的X射线源具有更重要的作用。本书在该处还说明，当一个脉冲源绕另一天体运转，信号传到我们这里所经路程会时而偏长，时而偏短这种现象（还请参阅图10…5）。这样看来，赫尔斯…泰勒脉冲星是在绕着另一星体运转！可是至今还没有任何人能在这一位置确认出一颗光学星体来。这并不奇怪，因为这一脉冲星的轨道太窄小，给这未知天体留出的地盘简直说不上来。它不能是一颗正常的主序星，那实在是太大了，更不用考虑什么巨星
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或超巨星。和这颗脉冲星组成双星的另一颗星体也许是白矮星或者中子星？如果是后者，那么又为什么该中子星并没有成为另一脉冲星？这时，人们已经在四对双星中发现了脉冲星，其中两对可能都是包含一颗主序星，它看来很好地经住了其伴星在变为脉冲星前的超新星爆发。读者可能还会记得，休伊什的研究组发现了第一颗脉冲星后，没有把小绿人作为信号来源，是因为相邻脉冲的时间间隔并没有周期性变化（参阅第123页脚注）。几百个脉冲星也都是这样，有一批脉冲星的信号则来自围绕另一星体运转的天体。如果1968年宣布发现的第一颗脉冲星是双星的成员，剑桥当时的兴奋激动又会达到何等的地步呢！最近10年来，实测天文学的一个新领域取得了很大的进展，这就是γ射线天文学。γ射线是波长极短的辐射，其光子的波长比短波X射线还要短。这种辐射的能量极高，每个γ光子的能量约为可见光光子的100万倍。γ射线和X射线一样，都不能从外层空间穿透大气层达到我们这里，因此只有在开展了用火箭和卫星对宇宙的观测后，人们才对来自宇宙的γ射线有所了解。天文学的这一分支至今所取得的惊人结果之一，是有一批脉冲星在发射γ射线脉冲。既然γ射线具有巨大能量，看起来似乎脉冲星现象中的γ射线是主流，而吸引人们进入脉冲星王国的射电辐射却不过是微不足道的支流，也许就像爆炸事件中的响声只是无关紧要的枝节现象那样。γ射线脉冲的周期和射电脉冲一致，但并不和后者重合。我们对脉冲星的γ射线现象仍不理解。目前，脉冲星还有另一方面使天文学家不安。根据已经发现的那么多脉冲星可以估计，我们银河系中现在处于活跃阶段的脉冲星总数应该大约有100万之多。另外，几十年来我们在进行着遥远星系的巡天观测，以了解彼处每世纪平均发生多少次超新星爆发。这样我们就可以估计，我们银河系中最近期间产生了多�