中子星，又名波霎、脈沖星，是恒星演化到末期，經(jīng)由重力崩潰發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終
點(diǎn)之一。恒星在核心的氫于核聚變反應(yīng)中耗盡，完全轉(zhuǎn)變成鐵時(shí)便無法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質(zhì)受重力牽引會(huì)急速向核心墜落，有可能導(dǎo)致外殼的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能向外爆發(fā)產(chǎn)生超新星爆炸，或者根據(jù)局恒星質(zhì)量的不同，整個(gè)恒星被壓縮成白矮星、中子星以至黑洞。白矮星被壓縮成中子星的過程中恒星遭受劇烈的壓縮使其組成物質(zhì)中的電子并入質(zhì)子轉(zhuǎn)化成中子，直徑大約只有十余公里，但上頭一立方厘米的物質(zhì)便可重達(dá)十億噸，且旋轉(zhuǎn)速度極快，而由于其磁軸和自轉(zhuǎn)軸并不重合，磁場旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的無線電波可能會(huì)以一明一滅的方式傳到地球，有如人眨眼，故又譯作波霎。
中子星的密度為10的11次方千克/立方厘米，也就是每立方厘米的質(zhì)量竟為一億噸之巨。中子星是除黑洞外密度最大的星體，同黑洞一樣，也是20世紀(jì)60年代最重大的發(fā)現(xiàn)之一。乒乓球大小的中子星相當(dāng)于地球上一座山的重量。這是20世紀(jì)激動(dòng)人心的重大發(fā)現(xiàn)，為人類探索自然開辟了新的領(lǐng)域，而且對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，成為上世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。
中子星的發(fā)現(xiàn)
1967年，天文學(xué)家偶然接收到一種奇怪的電波。這種電波每隔1—2秒發(fā)射一次，就像人的脈搏跳動(dòng)一樣。人們?cè)欢劝阉?dāng)成是
宇宙人的呼叫，轟動(dòng)一時(shí)。后來，
英國科學(xué)家休伊什終于弄清了這種奇怪的電波，原來來自一種前所未知的特殊恒星，即脈沖星。這一新發(fā)現(xiàn)使休伊什獲得了1974年的諾貝爾獎(jiǎng)。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的脈沖星已超過300個(gè),它們都在銀河系內(nèi)。蟹狀星云的中心就有一顆脈沖星。
脈沖星是本世紀(jì)60年代四大天文發(fā)現(xiàn)之一 (其他三個(gè)是：類星體、星際有機(jī)分子、宇宙3K微波輻射)。因?yàn)樗煌５匕l(fā)出無線電脈沖,而且兩個(gè)脈沖之間的間隔(脈沖周期)十分穩(wěn)定，準(zhǔn)確度可以與原子鐘媲美。各種脈沖星的周期不同，長的可達(dá)4.3秒，短的只有0.3秒。
脈沖星就是快速自轉(zhuǎn)的中子星。中子星很小，一般半徑只有10千米，質(zhì)量卻和太陽差不多，質(zhì)量下限是0.1個(gè)太陽的質(zhì)量,上限是3.2個(gè)(據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論,可以達(dá)到這個(gè)水平).是一種密度比白矮星還高的超密度恒星。
中子星的前身一般是一顆質(zhì)量比太陽大的恒星。它在爆發(fā)坍縮過程中產(chǎn)生的巨大壓力，使它的物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化。在這種情況下，不僅原子的外殼被壓破了，而且連原子核也被壓破了。原子核中的質(zhì)子和中子便被擠出來，質(zhì)子和電子擠到一起又結(jié)合成中子。最后，所有的中子擠在一起，形成了中子星。顯然，中子星的密度，即使是由原子核所組成的白矮星也無法和它相比。在中子星上，每立方厘米物質(zhì)足足有10億噸重。
當(dāng)
恒星收縮為中子星后，自轉(zhuǎn)就會(huì)加快，能達(dá)到每秒幾圈到幾十圈。同時(shí)，收縮使中子星成為一塊極強(qiáng)的“磁鐵”，這塊“
磁鐵”在它的某一部分向外發(fā)射出電波。當(dāng)它快速自轉(zhuǎn)時(shí)，就像燈塔上的探照燈那樣，有規(guī)律地不斷向地球掃射電波。當(dāng)發(fā)射電波的那部分對(duì)著地球時(shí)，我們就收到電波；當(dāng)這部分隨著星體的轉(zhuǎn)動(dòng)而偏轉(zhuǎn)時(shí)，我們就收不到電波。所以，我們收到的電波是間歇的。這種現(xiàn)象又稱為“燈塔效應(yīng)”。
中子星的質(zhì)量極大，一個(gè)中子化的火柴盒大小的物質(zhì)，需要96000個(gè)火車頭才能拉動(dòng)！所以中子星的質(zhì)量是不可忽視的。
中子星的能量輻射是太陽的100萬倍。按照目前世界上的用電情況.它在一秒鐘內(nèi)輻射的總能量若全部轉(zhuǎn)化為電能，就夠我們地球用上幾十億年。
中子星并不是恒星的最終狀態(tài)，它還要進(jìn)一步演化。由于它溫度很高，能量消耗也很快，因此，它的壽命只有幾億年。當(dāng)它的能量消耗完以后，中子星將變成不發(fā)光的黑矮星。
中子星的性質(zhì)
作為一顆中子星，
中子星具有許多非常獨(dú)特的性質(zhì)，這些性質(zhì)使我們大開眼界。因?yàn)?，它們都是在地球?qū)嶒?yàn)室中永遠(yuǎn)也無法達(dá)到的，從而使我們更加深入地認(rèn)識(shí)到恒星的一些本質(zhì)。概括起來說，這些性質(zhì)是：
?。?）無例外地都是很小的，小得出奇。它的典型直徑只有10公里，也就是說，小小中子星的“腰圍”只有30多公里，相當(dāng)于一輛汽車以普通速度行駛1小時(shí)的距離。可是，就是這么顆小個(gè)子恒星，卻有那么多的極端的物理?xiàng)l件，也真是夠驚人的！
（2）密度大得驚人。密度一般用1立方厘米有多少克來表示，水的密度是每立方厘米重1克，鐵是7.9克，汞是13.6克。如果我們從脈沖星上面取下1立方厘米物質(zhì)，稱一下，它可重1億噸以上、甚至達(dá)到10億噸。假定我們地球的密度也達(dá)到這種聞所未聞的驚人程度的話，那它的平均直徑就不是12740公里，而是一二百米或更小。
（3）溫度高得驚人。據(jù)估計(jì)，
中子星的表面溫度就可以達(dá)到1000萬度，中心還要高數(shù)百萬倍，譬如說達(dá)到60億度。我們以太陽來作比較，就可以有個(gè)稍具體的概念：
太陽表面溫度6000攝氏度不到，越往里溫度越高，中心溫度約1500萬度。
?。?）壓力大得驚人。我們地球中心的壓力大約是300多萬個(gè)大氣壓，即我們平常所說的1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的300多萬倍。脈沖星的中心壓力據(jù)認(rèn)為可以達(dá)到10000億億億個(gè)大氣壓，比地心壓力強(qiáng)30萬億億倍，比太陽中心強(qiáng)3億億倍。
（5）特別強(qiáng)的磁場。在地球上，地球磁極的磁場強(qiáng)度最大，但也只有0．7高斯（高斯是磁場強(qiáng)度的單位）。太陽黑子的磁場更是強(qiáng)得不得了，約1000～4000高斯。而大多數(shù)脈沖星表面極區(qū)的磁場強(qiáng)度就高達(dá)10000億高斯，甚至20萬億高斯。
脈沖星都是我們銀河系內(nèi)的天體，距離一般都是幾千光年，最遠(yuǎn)的達(dá)55000光年左右。根據(jù)一些學(xué)者的估計(jì)，銀河系內(nèi)
中子星的總數(shù)至少應(yīng)該在20萬顆以上，到80年代末，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的還不到估計(jì)數(shù)的千分之五。今后的觀測、研究任務(wù)還很艱巨。
中子星從發(fā)現(xiàn)至今，只有短短二三十年的時(shí)間，盡管如此，不論在推動(dòng)天體演化的研究方面，在促進(jìn)物質(zhì)在極端條件下的物理過程和變化規(guī)律的研究方面，它已經(jīng)為科學(xué)家們提供了非常豐富而不可多得的觀測資料，作出了貢獻(xiàn)。同時(shí)，它也在這個(gè)新開拓的領(lǐng)域內(nèi)，向人們提出了一連串的問題和難解的謎。
天文信息
2007年3月20日光明網(wǎng)-光明日?qǐng)?bào)：
歐洲空間局的科學(xué)家最近宣布,他們借助強(qiáng)大的“Integral”
天文望遠(yuǎn)鏡,發(fā)現(xiàn)了迄今轉(zhuǎn)速最快的中子星,每秒旋轉(zhuǎn)1122圈,比地球自轉(zhuǎn)快1億倍。
最先觀測到這顆星的西班牙天文學(xué)家?guī)炜死照f,早在1999年便已發(fā)現(xiàn)了這顆代號(hào)為J1739-285的中子星,但不久前才通過
望遠(yuǎn)鏡算出它的轉(zhuǎn)速。
這顆中子星的直徑約10公里,但質(zhì)量卻與太陽相近,其密度驚人,高達(dá)每立方厘米1億噸。其巨大引力從臨近恒星不斷奪取大量炙熱氣體,并不斷誘發(fā)熱核爆炸。
天文學(xué)家正是通過這種現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了它。此前的中子星自轉(zhuǎn)紀(jì)錄是每秒716圈,恒星轉(zhuǎn)速一般在每秒270-715 圈。700圈曾被認(rèn)為是天體旋轉(zhuǎn)極限,按目前的物理學(xué)理論,轉(zhuǎn)速超過此極限,恒星將被強(qiáng)大離心力摧毀或化為黑洞。但最新發(fā)現(xiàn)否定了這一看法。
理論上,每秒1122轉(zhuǎn)并不是旋轉(zhuǎn)極限,大型中子星轉(zhuǎn)速有可能高達(dá)3000轉(zhuǎn)。令天文學(xué)家困惑的是,為什么
天體在高速旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)大
離心力下,卻依然會(huì)不斷收縮,而且不損失自身物質(zhì)。
然而，榮譽(yù)出現(xiàn)了歸屬爭議。1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠只戴在導(dǎo)師休伊什的頭上，完全忽略了學(xué)生貝爾的貢獻(xiàn)，輿論一片嘩然。英國著名天文學(xué)家霍伊爾爵士在倫敦《
泰晤士報(bào)》發(fā)表談話，他認(rèn)為，貝爾應(yīng)同休伊什共享諾貝爾獎(jiǎng)，并對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)授獎(jiǎng)前的調(diào)查工作欠周密提出了批評(píng)，甚至認(rèn)為此事件是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上一樁丑聞、性別歧視案?；粢翣栠€認(rèn)為，貝爾的發(fā)現(xiàn)是非常重要的，但她的導(dǎo)師竟把這一發(fā)現(xiàn)扣壓半年，從客觀上講就是一種盜竊。更有學(xué)者指出，“貝爾小姐作出的卓越發(fā)現(xiàn)，讓她的導(dǎo)師休伊什贏得了
諾貝爾物理獎(jiǎng)”。著名天文學(xué)家曼徹斯特和泰勒所著《脈沖星》一書的扉頁上寫道：“獻(xiàn)給喬瑟琳·貝爾，沒有她的聰明和執(zhí)著，我們不能獲得脈沖星的喜悅?！?br>
關(guān)于脈沖星真正發(fā)現(xiàn)者的爭論和對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的質(zhì)疑，已經(jīng)歷了40年。40年后的今天,它再次成為關(guān)注話題?；厥淄拢鳛閷?dǎo)師的休伊什獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，無可厚非，但貝爾失去殊榮，卻令人感到惋惜。如果沒有貝爾對(duì)“干擾”信號(hào)一絲不茍的追究，他們可能錯(cuò)過脈沖星的發(fā)現(xiàn)。若把諾貝爾獎(jiǎng)“競賽”比作科學(xué)“奧運(yùn)會(huì)”，那么，40年前的“裁判”們顯然吹了“黑哨”，至少是誤判,這玷污了諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)公正權(quán)威性。
最近，貝爾訪問北京期間，筆者與她談起脈沖星的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷和對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)的看法，她說，脈沖星發(fā)現(xiàn)后不久，她就被迫離開了劍橋大學(xué)。沉默稍許,她直言,上世紀(jì)60年代，科學(xué)機(jī)構(gòu)普遍存在忽視學(xué)生貢獻(xiàn)的傾向，特別是女學(xué)生。導(dǎo)師經(jīng)常以“上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)”自居,將學(xué)生成果竊為己有,然后想辦法把學(xué)生一腳踢開。然而,1993年，兩位美國天文學(xué)家因發(fā)現(xiàn)脈沖星雙星而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)格外精心,邀請(qǐng)貝爾參加了頒獎(jiǎng)儀式，算是一種補(bǔ)償吧。1968年,離開劍橋后，她和休伊什沒有再合作，直到上世紀(jì)80年代，他們才在一次國際會(huì)議上相見，并握手言和。脈沖星發(fā)現(xiàn)以來，除了諾貝爾獎(jiǎng)，她榮獲了十幾項(xiàng)世界級(jí)科學(xué)獎(jiǎng)，并成為科學(xué)大使。
中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最強(qiáng)大的兩類頗具神秘感的天體。光是中子星就已經(jīng)夠不可思議了，偏偏還要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷阱和無底深淵，沒有物質(zhì)能擺脫它的強(qiáng)大引力，包括光線。在它附近，今天的所有物理定律都顯得不適用了。
我們知道，當(dāng)恒星走完其漫長的一生后，小質(zhì)量和中等質(zhì)量的恒星將成為一顆白矮星，大質(zhì)量和超大質(zhì)量的恒星則會(huì)導(dǎo)致一次超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后恒星如何演變將取決于剩下星核的質(zhì)量。印度天體物理學(xué)家昌德拉塞卡于上世紀(jì)三十年代末發(fā)現(xiàn)，當(dāng)留下的星核質(zhì)量達(dá)到太陽的一點(diǎn)四倍時(shí)，其引力將大到足以把星核內(nèi)的原子壓縮到使電子和質(zhì)子結(jié)合成中子的程度。此時(shí)這顆星核就成了一顆中子星，其密度相當(dāng)于把一個(gè)半太陽的質(zhì)量塞進(jìn)直徑約二十四公里的一個(gè)核內(nèi)。
這是一個(gè)單個(gè)的中子星，其表面溫度高達(dá)一百二十多萬度，直徑只有二十八公里。(HST)
以兩百倍音速高速運(yùn)動(dòng)著的中子星，距地球約兩百光年。三十萬年后將對(duì)地球產(chǎn)生輕微影響。(HST)
在星系中漂浮的單個(gè)恒星級(jí)黑洞，它引起的引力透鏡現(xiàn)象使位于其后方的恒星產(chǎn)生了兩個(gè)像。(HST)
位于NGC6251中心發(fā)出強(qiáng)烈紫外線輻射的塵埃盤，其內(nèi)部可能存在一個(gè)巨型黑洞。(HST)
橢圓星系NGC7052中心的塵埃盤，其中央可能有一個(gè)質(zhì)量為太陽三億倍的超級(jí)黑洞。(HST)
人馬座A(NGC5128)星系中心的塵埃盤，其中有一個(gè)巨大的超級(jí)黑洞。(HST)
中子星的特征
中子星的表面溫度約為一百十萬度，輻射χ射線、γ射線和和可見光。中子星有極強(qiáng)的磁場，它使中子星沿著磁極方向發(fā)射束狀無線電波（射電波）。中子星自轉(zhuǎn)非?？?，能達(dá)到每秒幾百轉(zhuǎn)。中子星的磁極與兩極通常不吻合，所以如果中子星的磁極恰好朝向地球，那么隨著自轉(zhuǎn)，中子星發(fā)出的射電波束就會(huì)像一座旋轉(zhuǎn)的燈塔那樣一次次掃過地球，形成射電脈沖。人們又稱這樣的天體為“脈沖星”。
超新星爆發(fā)后，如果星核的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的兩至三倍，那它將繼續(xù)坍縮，最后成為一個(gè)體積無限小而密度無窮大的奇點(diǎn)，從人們的視線中消失。圍繞著這個(gè)奇點(diǎn)的是一個(gè)“無法返回”的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的邊界稱為“視野”或“事件地平”，區(qū)域的半徑叫做“史瓦西半徑”。任何進(jìn)入這個(gè)區(qū)域的物質(zhì)，包括光線，都無法擺脫這個(gè)奇點(diǎn)的巨大引力而逃逸，它們就像掉進(jìn)了一個(gè)無底深淵，永遠(yuǎn)不可能返回。
天文學(xué)家稱這種由于恒星死亡形成的天體為恒星級(jí)黑洞。一般認(rèn)為，宇宙中的大多數(shù)黑洞是由恒星坍縮形成的。此外，在許多恒星系的中心也有一個(gè)因引力坍縮而形成的超大質(zhì)量黑洞，比如在類星體星系的中心。在宇宙誕生初期可能曾經(jīng)形成過很多微型黑洞（太初黑洞），這些黑洞的體積很小，質(zhì)量相當(dāng)于一座大山。
雖然黑洞本身不可見，但可以用至少兩種方法檢測出它的存在。當(dāng)一個(gè)黑洞吸引塵埃、氣體或恒星時(shí)，它的強(qiáng)大引力會(huì)把這些物質(zhì)撕碎成原子微粒，原子微粒會(huì)從黑洞的邊緣沿螺旋線墜向中心，速度會(huì)越來越快，直至達(dá)到每秒九百多公里。當(dāng)物體被黑洞吞沒時(shí)，會(huì)因?yàn)榛ハ嗯鲎捕箿囟壬仙綆装偃f度，并發(fā)出χ射線和γ射線。在宇宙中，只有黑洞能使物體在密集的軌道上加速到如此高的速度；也只有黑洞才會(huì)以這種方式發(fā)射χ射線和γ射線。
任何物質(zhì)或輻射到達(dá)黑洞邊緣，越過它的視界就永遠(yuǎn)消失了。在黑洞的奇點(diǎn)附近，現(xiàn)有的任何物理定律都是不適用的。黑洞的奇點(diǎn)和我們現(xiàn)已認(rèn)識(shí)的宇宙中的所有物質(zhì)狀態(tài)截然不同。到目前為止，還沒有任何科學(xué)方法能用來測量黑洞?，F(xiàn)在我們說找到了一個(gè)黑洞都是通過間接途徑推算出來的。
