脉冲星的发现和意义

脉 冲 星 的 发 现 和 意 义
北 京 大 学 天 文 系
乌 鲁 木 齐 天 文 站
吴 鑫 基

脉 冲 星 的 四 大 发 现
• 1967 年 贝 尔 和 休 伊 什 发 现 脉 冲 星
确 认 中 子 星 的 存 在
• 1974 年 赫 尔 斯 和 泰 勒 发 现 脉 冲 星 双 星 系 统
间 接 验 证 引 力 波 的 存 在
• 1982 年 贝 克 和 库 尔 卡 尼 发 现 毫 秒 脉 冲 星
确 认 X 射 线 双 星 与 脉 冲 星 的 演 化 关 系
• 1992 年 沃 斯 赞 和 弗 雷 尔 发 现 脉 冲 星 的 行 星
人 类 发 现 的 第 一 个 太 阳 系 外 的 行 星 系 统

1, 中 子 星 的 预 言 :
1932 年 , 发 现 中 子 后 预 言 , 中 子 星 存 在
1939 年 , 提 出 中 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
一 , 中 子 星 的 预 言

2, , 脉 冲 星 主 要 产 生 于 超 新 星 爆 发 :
塌 缩 质 量 超 过 1.4 太 阳 质 量 , 形 成 中 子 星
角 动 量 守 恒
磁 通 量 守 恒 .

3, 中 子 星 形 成 的 三 个 阶 段
第 一 步 : 中 子 化 过 程
• 原 子 核 中 的 中 子 越 来 越 多 ;
• 密 度 大 于 10 6 克 / 厘 米
3
时 , 核 外 电 子 的 能 量
大 , 可 打 进 原 子 核 , 高 能 电 子 打 入 原 子 核 ,
和 质 子 相 碰 , 形 成 一 个 中 子 和 一 个 中 微 子
( 即 发 生 逆 β 衰 变 反 应 )。
• 反 应 后 , 原 子 核 中 少 了 一 个 质 子 , 多 了 一 个
中 子 , 这 个 元 素 变 为 另 一 种 元 素 。

第 二 步 : 自 由 中 子 发 射 过 程
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 x10 11 克 / 厘 米 3
。
第 三 步 : 原 子 核 破 裂 形 成 中 子 流 体
当 密 度 超 过 10 14 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 。

4, 简 并 电 子 气 和 白 矮 星 的 形 成
恒 星 的 热 核 反 应 停 止 , 导 致 塌 缩 , 密 度 增 加 , 温
度 上 升 , 原 子 核 外 电 子 全 部 电 离 , 形 成 电 子 气 。
根 据 泡 利 不 相 容 原 理 , 电 子 的 能 量 状 态 是 不 连 续
的 , 只 能 取 某 些 特 定 的 值 。 同 一 个 状 态 , 只 能 允 许
一 个 电 子 占 有 。 电 子 能 量 从 低 到 高 排 列 , 低 能 态 的
占 满 了 , 就 只 能 到 高 能 态 去 。
当 电 子 密 度 很 高 时 , 必 然 有 很 多 电 子 处 在 高 能 态
。 具 有 非 常 高 的 速 度 , 因 此 产 生 的 简 并 电 子 气 压 非
常 高 , 可 以 与 引 力 相 抗 衡 。 形 成 稳 定 的 白 矮 星 。

当 坍 缩 后 的 恒 星 质 量 超 过 一 定 的 限 度 后 , 密 度 再
加 大 , 简 并 电 子 气 就 变 为 相 对 论 性 的 了 , 就 不 可 能
形 成 稳 定 的 白 矮 星 。
相 对 论 性
非 相 对 论 性
白 矮 星 质 量 上 限
4 / 3
p ∝ ρ
P ∝ ρ
5/ 3
相 对 论 性 的 物 态 方 程 得 不 到 质 量 -- 半 径 关 系 ,
如 果 质 量 增 加 , 不 能 通 过 调 整 半 径 使 白 矮 星 稳 定 。
白 矮 星 有 一 个 质 量 上 限 :1.44 个 太 阳 质 量 。 超 过 上
限 将 演 化 为 中 子 星 或 者 黑 洞 。

5, 简 并 中 子 气 和 中 子 星 的 形 成
密 度 超 过 10 14 克 / 厘 米 3
, 原 子 核 便 完 全 离 解 , 成 为
中 子 的 海 洋 。 中 子 气 是 简 并 的 , 高 密 绝 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 。
简 并 中 子 气 所 形 成 的 压 力 远 远 超 过 简 并 电 子 气 压
力 , 成 为 可 以 抗 衡 引 起 星 体 坍 缩 的 引 力 , 形 成 稳 定
的 中 子 星 。
如 果 坍 缩 后 所 形 成 的 致 密 星 的 质 量 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 缩 下 去 , 形 成 黑 洞 。

6, 中 子 星 在 哪 里 呢 ?
预 言 后 的 30 多 年 ,
一 直 不 知 道 如 何 去 搜 寻 中 子 星
问 题 :
没 有 人 研 究 中 子 星 辐 射 的 理 论 模 型 ;
没 有 去 猜 测 其 辐 射 特 性 ;
如 果 有 多 种 模 型 提 出 , 必 定 推 动 观 测 实 验 。

7, 蟹 状 星 云 能 源 之 谜
• 射 电 、 光 学 、X 和 γ 射 线 辐 射 等 所 有 频 率 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 ?
• 观 测 发 现 蟹 状 星 云 在 加
速 膨 胀 , 每 年 约 0.2 角 秒
左 右 。 能 量 由 谁 来 提 供 ?
• 同 步 辐 射 : 高 能 带 电 粒
子 和 磁 场 来 源 ?

8, 帕 齐 尼 预 言
(1967 年 发 现 脉 冲 星 之 前 )
“ 蟹 状 星 云 中 有 一 颗 中 子 星 , 每 秒 自 转 多 次 、 具 有
很 强 磁 场 , 提 供 蟹 状 星 云 所 需 的 能 量 。”
勇 气 : 首 次 预 言 非 常 快 的 自 转 , 任 何 已 经 观 测 到 的
天 体 都 没 有 这 样 快 的 自 转 。
首 次 预 言 非 常 强 的 磁 场 。 也 是 没 有 先 例 。
熟 知 : 磁 偶 极 辐 射 。 由 中 子 星 的 磁 偶 极 辐 射 提 供 蟹
状 星 云 能 量 。

9, 休 伊 什 发 现 蟹 状 星 云 中 致 密 源
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 , 角 径 0.2 角 秒 , 亮 温 度 达 到
10 14 K。
他 指 出 , 这 个 致 密 成 分 可 能 是 1054 年 超 新 星 爆
发 的 遗 留 物 。 可 惜 , 他 并 没 有 认 识 到 这 个 致 密 源
就 是 中 子 星 。

二 ,1967,
年 发 现 脉 冲 星
1, 剑 桥 大 学 的 闪 烁 望 远 镜
• 休 伊 什 教 授 长 期 研 究 行 星 际 闪 烁 , 有 很 大 的
成 就 。 只 有 角 径 很 小 的 射 电 源 , 才 会 有 闪 烁 现
象 , 即 信 号 起 伏 变 化 ;
• 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 很 大 , 达 有 2 万 1 千 多 平 方 米
长 470 米 宽 45 米 宽 的 矩 形 天 线 阵 ,
• 3.7 米 的 波 长 : 闪 烁 比 较 强 ;
• 时 间 分 辨 率
达 到 0.1 秒 。
• 望 远 镜 造 价
低 , 制 造 容 易 ,
由 老 师 和 学 生
共 同 完 成 。

2, 贝 尔 和 休 伊 什 发 现 脉 冲 星
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 。

1976 年 8 月 6 日 发 现 脉 冲 星 的 纪 录

休 伊 什 的 贡 献
• 研 制 行 星 际 闪 烁 射 电 望 远 镜 ;
• 行 星 际 闪 烁 观 测 计 划 和 执 行 ;
• 与 贝 尔 一 起 检 验 “ 可 疑 的 信 号 ” 最 终 确 认 发 现 脉
冲 星 ;
• 消 除 地 球 轨 道 运 动 的 影 响 , 获 得 精 确 的 周 期 ;
• 从 理 论 角 度 进 行 多 方 面 探 索 : 干 扰 ; 耀 星 ; 外
星 人 电 报 ; 白 矮 星 ; 中 子 星 等 。

贝 尔 发 现 4 颗 脉 冲 星
• 贝 尔 在 12 月 25 日 她 又 发 现 了 第 二 个 脉 冲 星 。
1968 年 1 月 , 她 全 面 地 检 查 以 前 的 多 达 5000 米
记 录 纸 所 记 录 下 的 资 料 , 又 发 现 了 2 个 脉 冲
星 。 总 共 4 颗 脉 冲 星 。
• 从 此 , 脉 冲 星 观 测 发 现 高 潮 高 潮 迭 起 , 但 是 不
见 休 伊 什 和 贝 尔 , 为 什 么 ? 射 电 望 远 镜 不 行 .

PSR 0329+54, P=0.715s
PSR 0833-45, P=89 毫 秒
PSR 1937+21, P=1.558 毫 秒
来 自 宇 宙 天 体 的 声 音

3, 脉 冲 星 就 是 自 转 磁 中 子 星
(1), 脉 冲 星 周 期 的 主 要 观 测 特 征
• 之 一 : 稳 定 而 短 的 周 期
周 期 1.5 毫 秒 ~8.5 秒 。 十 分 稳 定 , 可 以 和
原 子 钟 比 美 。5 年 观 测 起 伏 约 0.3 微 秒 。
• 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 :
- 13 -20
p & = 10 ~10
s /
s

(2), 脉 冲 星 的 周 期 是 怎 么 来 的 ?
天 文 上 周 期 性 现 象 是 常 见 的 , 但 都 没 有 这
样 短 。 天 文 周 期 现 象 的 三 种 来 源 :
1, 双 星 的 轨 道 运 动 周 期
2, 径 向 脉 动 周 期
3, 自 转
由 于 周 期 太 短 , 只 能 是 体 积 非 常 小 的 致 密 星 :
中 子 星 或 白 矮 星 。

(3), 自 转 中 子 星
• 中 子 星 双 星 的 轨 道 周 期 ⇒ 轨 道 周 期 变
短 与 脉 冲 星 周 期 越 来 越 长 的 观 测 不 符 ;
• 中 子 星 径 向 振 荡 周 期 ⇒ 周 期 不 准 确 ,
也 不 是 越 来 越 长 的 , 与 观 测 不 符 。
• 中 子 星 自 转 周 期 ⇒ 周 期 稳 定 ⇒
周 期 逐 渐 变 长 。 与 观 测 特 征 相 符 , 确 认 是
自 转 中 子 星

4, 脉 冲 星 的 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 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 。

磁 极 冠 辐 射 模 型 和
脉 冲 的 形 成
最 早 发 现 的 4 颗 脉 冲 星 之 一
PSR0329+54 的 纪 录
存 在 明 显 的 周 期 性

5, 平 均 脉 冲 结 构 : 空 心 锥 + 核

6, 极 冠 模 型 的 证 据
Crab 和 Vela 超 新 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 。

蟹 状 星 云
脉 冲 星 的
X 射 线 观
测
脉 冲 星 周
围 有 环 状
物 质 围 绕
中 心 的 喷
流

船 帆 座 脉
冲 星 的 X
射 线 观 测
脉 冲 星 周
围 的 情 况
中 心 有
喷 流

7, , 开 辟 崭 新 的 研 究 领 域
(1)) 致 密 天 体 的 内 部 结 构 的 研 究
• 中 子 星 作 为 典 型 的 致 密 天 体 , 为 研 究 致 密 天 体
的 内 部 结 构 提 供 了 极 好 的 样 品 。
• 观 测 到 周 期 突 然 变
短 及 随 机 变 化 的 现
象 , 成 为 研 究 中 子 星
内 部 结 构 及 其 变 化 的
的 手 段 。

(2)) 电 荷 分 离 等 离 子 体 物 理
• 磁 层 范 围 : 由 脉 冲
星 的 光 速 圆 柱 来 决 定 。
• 电 荷 分 离 : 磁 极 区
为 正 电 荷 ; 赤 道 区 负
电 荷 。

(3)) 典 型 的 非 热 辐 射 过 程
• 脉 冲 星 的 辐 射 ( 射 电 。 光 学 、X 和 伽 马 射 线 )
都 是 非 热 辐 射 。 同 步 辐 射 , 曲 率 辐 射 和 逆 康 普
顿 散 射 。
• 磁 层 包 含 了 极 端 相 对 论 性 带 电 粒 子 , 超 强 的 等
离 子 体 波 和 极 强 的 磁 场 的 奇 异 的 混 合 物 。 这 些
条 件 是 其 它 天 体 所 不 具 备 的 。

(4)) 星 际 介 质 的 探 针
• 天 体 辐 射 经 过 星 际 空 间 到 达 地 球 的 传 播 过 程 中
受 到 星 际 介 质 中 电 离 气 体 的 影 响 ,
• 产 生 色 散 、 法 拉 弟 旋 转 等 效 应 。
• 一 般 天 体 , 这 种 效 应 无 法 测 量 。 而 脉 冲 星 的 脉
冲 特 性 使 我 们 能 够 观 测 到 这 种 效 应 , 获 得 色 散
量 、 法 拉 第 旋 转 角 度 、 星 际 磁 场 。 成 为 “ 星 际 介
质 的 探 针 ”。

(5) 极 端 物 理 条 件 天 空 实 验 室
• 超 高 密 : 每 立 方 厘 米 约 有 一 亿 吨 重 ;
• 超 强 磁 场 : 10 12 ~10 15 高 斯 ;
磁 星 ( 反 常 X 射 线 脉 冲 星 和 软 伽 马 射 线 再
现 源 ), 磁 场 达 到 10 15 高 斯 , 高 出 1000 倍 ,
• 超 流 、 超 导 ;
• 超 强 引 力 ;
• 夸 克 星

(6) 脉 冲 到 达 时 间 的 不 规 则 变 化 研 究
• 到 达 时 间 噪 声 (Timing noise): random
fluctuation in pulse frequency with
δν/ν < 10 -9
• 周 期 突 然 变 短 (Glitch): pulse frequency
suddenly increases with
10 -9

周 期 突 然 变 短 (Glitches):
中 子 星 内 部 结 构 的 探 针
• 星 震 模 型 : 由 于 中 子 星 椭 率 发 生 变 化
Δ ν
I R
=−Δ ε =− Δ =−2
Δ Δν/ν=10 -8 :ΔR=-0.1mm
ν
I R
• 中 子 超 流 涡 旋 模 型 : 内 部 中 子 流 体 状 态
变 化 引 起 。
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8, 休 伊 什 获 1974 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 。
• 普 遍 认 为 , 诺 贝 尔 奖 应 该 授 予 休 伊 什
和 贝 尔 两 人 。

1990 年 在 国 际 会 议 上 休 伊 什 和 中 国 学 者 合 影

休 伊 什 在 国 际 学 术 会 议 上 (1990)

2006 年 4 月 贝 尔 访 问 乌 鲁 木 齐 、 北 京 、 上 海 。
图 为 在 乌 鲁 木 齐 作 报 告

贝 尔 与 乌 鲁 木 齐 的 天 文 爱 好 者

9, 脉 冲 星 观 测 研 究 主 要 射 电 望 远 镜
• 美 国 Arecibo 305 米 射 电 望 远 镜
• 德 国 Bonn 100 米 射 电 望 远 镜
• 美 国 Green Bank100×110 射 电 望 远 镜
• 英 国 Jodrell Bank76 米 射 电 望 远 镜
• 澳 大 利 亚 Parkes64 米 射 电 望 远 镜
澳 64 米 发 现 最 多
美 305 米 重 要 发 现 最 多

9, 当 今 脉 冲 星 发 现 情 况
40 年 发 现 脉 冲 星 1791 颗
• 毫 秒 脉 冲 星 ( P < 20ms) 200
• 脉 冲 双 星 ( 双 星 中 有 一 颗 是 脉 冲 星 )130
• X-ray 脉 冲 星 80
• 反 常 X-ray 脉 冲 星 (AXP)12
• 磁 星 6 – 10 15-17 G
• 在 星 团 中 发 现 的 98
• 银 河 系 之 外 25
• 双 脉 冲 星 1

反 常 X 射 线 脉 冲 星 (AXP(
AXP)& 软 伽 玛 重 复 暴
(SGR)
SGRs,
AXPs
High B
Radio
Pulsars
Radio
Pulsars
Millisecond
Radio
Pulsars
V. Kaspi 2006

三 ,1974,
年 发 现 脉 冲 双 星
1, 最 先 进 的 脉 冲 星 巡 天 计 划
1973 年 J. 泰 勒 教 授 新 的 巡 天 观 测 计 划 :
发 现 短 周 期 、 远 距 离 的 脉 冲 星 。
• 用 世 界 上 最 大 射 电 望 远 镜 , 阿 雷 西 伯 305 米
口 径 。
• 消 色 散 接 收 机 (32 通 道 )
• 计 算 机 采 集 观 测 数 据 和 处 理 资 料
必 然 导 致 超 越 前 人 的 成 就 。

巡 天 发 现 新 脉 冲 星
未 知 : 位 置 、 周 期 、 色 散 量 、 脉 冲 宽 度
主 要 方 法 : 尝 试
周 期 分 析 1968 年 在 记 录 纸 上 直 观 看 出 粗 略 周 期 ,
然 后 消 除 地 球 轨 道 影 响
消 色 散 泰 勒 首 1974 年 次 采 用
1988 年 Parkes 巡 天 才 采 用 , 不 久 又
采 用 多 波 束 技 术 。 成 为 世 界 上 最 成
功 的 巡 天 。

Parkes 64 通 道
纵 坐 标 : 频 率 通 道 数
横 坐 标 : 到 达 时 间
( 用 周 期 表 示 )
图 : PSR1641-45 的
观 测 结 果
高 频 信 号 先 到 达

2, 爱 因 斯 坦 广 义 相 对 论 的 预 言
任 何 具 有 质 量 的 物 体 作 加 速 运 动 都 应 该 产
生 引 力 辐 射 。 经 历 半 个 世 纪 也 没 有 得 到 实 验
的 验 证 。

引 力 波 源 的 性 质
低 频 波 段 : 1-10 -4 Hz ; 银 河 系 中 短 周 期 双
星 ; 长 周 期 大 黑 洞 双 星 ;
• 甚 低 : 10 -7 -10 -9
• 极 低 :10 -15 -10 -18 ; 宇 宙 初 始 背 景 引 力 波
引 力 波 探 测 器
• 引 力 波 能 使 物 体 发 生 扭 曲 和 变 形 ,
• 引 力 波 天 线 是 一 根 棒 , 测 量 它 极 小 扭 曲 和 变
形 来 确 定 是 否 接 收 到 引 力 波 。

3, 赫 尔 斯 发 现 脉 冲 双 星
J. 泰 勒 教 授 的 研 究 生 , 选 择 泰 勒 的 脉 冲 星
巡 天 课 题 作 为 博 士 论 文 。
获 得 机 会 站 在 脉 冲 星 观 测 研 究 的 最 前 沿 。
• 一 举 发 现 40 颗 脉 冲 星 , 其 中 1 颗 为 双 星 系 统
• 赫 尔 斯 独 自 到 阿 雷 西 伯 观 测 , 几 经 周 折 , 独
立 判 断 发 现 了 第 一 个 脉 冲 双 星 系 统 。

PSR1913+16 射 电 脉 冲 双 星 轨 道 示 意 图
• 双 中 子 星 系 统 , 轨 道 周 期 7.75 小 时 ,
椭 率 0.617。
• 广 义 相 对 论 理 论 推 算 , 轨 道 周 期 的 变 化 率
−12
为 秒 / 秒 。
− 2.6 × 10

4, 泰 勒 奋 斗 20 载 , 验 证 引 力 波
• 根 据 广 义 相 对 论 , 可 以 计 算 出 双 中 子 星 系
统 有 很 强 的 引 力 辐 射 。 引 力 辐 射 将 会 导 致 双
星 系 统 轨 道 运 动 周 期 变 短 。 如 果 我 们 能 够 测
量 出 脉 冲 双 星 轨 道 周 期 的 变 化 , 便 能 间 接 地
确 认 引 力 辐 射 的 存 在 。
赫 尔 斯 和 泰 勒 获 1993 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 。

脉 冲 星 : 最 成 功 的 引 力 波 实 验 室
由 于 引 力 辐 射 , 导 致 轨 道 半 径
每 天 缩 短 1cm!
引 力 辐 射 引 起 轨 道 周 期
变 化 与 理 论 预 言 的 一 致

四 ,1982,
年 发 现 毫 秒 脉 冲 星
1, 特 别 的 4C21.53 射 电 源
1977 年 , 一 个 名 叫 4C21.53 的 射 电 源
引 起 人 们 的 关 注 。 经 过 几 年 的 探 索 ,
确 认 在 它 的 附 近 有 一 个 名 叫 1937+215
的 射 电 源 , 它 具 有 强 偏 振 、 幂 律 谱 、
致 密 等 脉 冲 星 所 具 有 的 特 性 。
人 们 相 信 它 就 是 一 颗 脉 冲 星 。

2, 休 伊 什 教 授 等 均 未 获 成 功
几 个 观 测 小 组 失 败 , 没 有 找 到 这 个 射 电 源
辐 射 的 周 期 结 构 ;
脉 冲 星 的 发 现 者 休 伊 什 教 授 也 一 无 所 获 。1983 年 ,
他 在 北 京 天 文 台 访 问 , 谈 到 当 时 他
离 成 功 只 有 一 步 之 遥 , 他 采 用 的 时 间 分 辨
率 已 是 3 毫 秒 , 没 有 采 用 更 短 的 时 间 分 辨 率 。

3, 贝 克 教 授 和 库 尔 卡 尼 博 士
• 采 用 世 界 上 最 大 的 射 电 望 远 镜 , 研 制 消 色 散
能 力 很 强 的 接 收 机 , 特 别 是 使 接
收 系 统 对 非 常 短 的 周 期 灵 敏 , 采 用 0.5 毫 秒 的 时
间 常 数 。 获 得 成 功 。
• 新 发 现 的 毫 秒 脉 冲 星 PSR1937+214
周 期 最 短 只 有 1.6 毫 秒
自 转 每 秒 600 次 !

Backer,D.C. 美 国 加 利 福 尼 亚
大 学 天 文 系 教 授
Kulkarni, S.R. 美 国 加 利
福 尼 亚 技 术 学 院
1983 年 获 博 士 学 位

4, 毫 秒 脉 冲 星 是 新 的 一 类 脉 冲 星
毫 秒 脉 冲 星
正 常 脉 冲 星
1.6-30 毫 秒 ( 周 期 短 ) 33 毫 秒 -8.5 秒
10 8 ~10 10( 年 龄 老 ) 10 3 ~10 7
10 8 ~10 10 G( 磁 场 弱 ) 10 11 ~10 13 G
正 常 脉 冲 星 的 周 期 越 短 , 年 龄 越 小 ,
磁 场 越 强 。 而 毫 秒 脉 冲 星 则 相 反 。

5, 毫 秒 脉 冲 星 从 X 射 线 脉 冲 双 星 演 化 而 来
• 1979 年 以 来 发 现 X 射 线
脉 冲 双 星 系 统 。
• 武 仙 座 X-1, 辐 射 X 射
线 , 周 期 分 别 1.24 秒 ,
周 期 由 长 变 短 , 自 转 加
速 , 吸 积 伴 星 物 质 所 致 。
• 毫 秒 脉 冲 星 经 历 了 X 射 线 脉 冲 双 星 自 转 加 速 阶
段 , 使 周 期 短 到 毫 秒 量 级 。
NASA

6, 毫 秒 脉 冲 星 成 为 球 状 星 团 的 探 针
球 状 星 团 的 形 状 近 似 为 球 形 ,
由 大 量 恒 星 组 成 的 集 团 。
• 球 状 星 团 中 X 射 线 双 星 比
较 多 , 毫 秒 脉 冲 星 也 多 。
• 在 球 状 星 团 杜 鹃 座 47 中 发
现 24 个 毫 秒 脉 冲 星 , 至 少 有
13 个 是 双 星 系 统 。
• 球 状 星 团 成 为 毫 秒 脉 冲 星 的 乐 园 , 毫 秒 脉 冲
星 又 成 为 研 究 球 状 星 团 中 心 性 质 的 探 针 。

7, 由 毫 秒 脉 冲 星 组 成 的 脉 冲 星 钟
• 毫 秒 脉 冲 星 周 期 的 高 度 稳 定 性 在 宇 宙 天 体 中 是 绝 无
仅 有 的 。 长 期 稳 定 性 与 原 子 钟 相 当 。
• 脉 冲 星 PSR1937+21 五 年 中 周 期
的 随 机 起 伏 只 有 0.3 微 秒 。
• 由 多 颗 周 期 噪 声 最 小 的 毫 秒 脉
冲 星 组 成 一 个 “ 脉 冲 星 钟 ”。
• 测 量 宇 宙 初 始 背 景 引 力 波 对 毫
秒 脉 冲 星 周 期 的 微 小 影 响 , 来 确
认 这 种 引 力 波 的 存 在 。

8, , 毫 秒 脉 冲 星 的 应 用 - 脉 冲 星 自 主 导 航
脉 冲 星 、 航 天 器 和 太 阳 系
质 心 (SSB) 位 置 的 关 系 。
分 析 来 自 不 同 方 向 的 脉 冲 到
达 航 天 器 和 太 阳 系 质 心 的 时
间 就 估 计 航 天 器 位 置 。

五 , 脉 冲 星 的 行 星 系 统 的 发 现
1, 毫 秒 脉 冲 星 巡 天
1990 年 2 月 , A. 沃 斯 赞 和 D. A. 弗 雷 尔
用 阿 雷 西 博 射 电 望 远 镜 在 430MHz 频 率 的 毫
秒 脉 冲 星 高 银 纬 毫 秒 脉 冲 星 巡 天 ;
发 现 脉 冲 星 PSR1257+12 的 脉 冲 到 达 时
间 资 料 很 独 特 , 无 法 用 单 脉 冲 星 或 脉 冲 双
星 来 解 释 。

脉 冲 到 达
时 间 测 量
获 得 周 期
变 化 的 数
据 , 用 2 个
行 星 系 统
来 拟 合 ,
符 合 得 很
好 !
1992 年 确 认 PSR1257+12 (P=6.2ms) 有 的 两 个 行 星
1, 公 转 周 期 66.6 天 ,3.4 个 地 球 质 量
2, 公 转 周 期 为 98.2 天 ,2.8 个 地 球 质 量

2, 捷 足 先 登 : 发 现 太 阳 系 外 行 星 系 统
• 第 一 个 发 现 的 太 阳 系 外 行 星 系 统 , 促 进 光 学 观 测
搜 寻 太 阳 系 外 行 星 。 至 今 已 超 100 个 。
• 其 搜 寻 方 法 值 得 借 鉴 ; 归 功 于 高 精 度 的 脉 冲 到 达
时 间 的 观 测 。
• 行 星 系 统 的 形 成 : 由 于 脉 冲 星 强 烈 的 星 风 和 辐 射 ,
致 使 伴 星 瓦 解 。
• 不 可 能 是 原 来 恒 星 的 行 星 系 统 。 不 能 期 望 行 星 上
存 在 生 命 的 可 能 。

3, 世 纪 论 文
Nature 主 编 从 Nature 上 世 纪 发 表 的 论 文
中 选 出 21 篇 , 庆 祝 物 理 学 的 创 造 性 和 多 样 性 。
其 中 天 文 2 篇 , 全 是 脉 冲 星 :
第 一 篇 是 Hewish 的 发 现 脉 冲 星 的 论 文 ;
第 二 篇 就 是 发 现 毫 秒 脉 冲 星 行 星 系 统 的 论 文 。

六 , 双 脉 冲 星 双 星 系 统 的 发 现
1, 目 前 已 有 百 多 个 射 电 脉 冲 双 星 系 统
• 大 多 数 射 电 脉 冲 双 星 的 伴 星 是 白 矮 星 ; 有
6 例 双 中 子 星 系 统 ; 还 有 几 例 中 子 星 和 主 序
星 双 星 系 统 。
• 天 文 学 家 最 感 兴 趣 的 双 射 电 脉 冲 星 系 统 终
于 在 2004 年 发 现 。 被 美 国 《 科 学 》 期 刊 评 为
2004 年 十 大 科 技 突 破 之 一 。

2, 澳 Parkes 射 电 望 远 镜 发 现
PSRJ0737-3039A/B
A 22ms B 2.77s
双 脉 冲 星 系 统 , 轨 道 倾 角 87 度
2.4 小 时 的 轨 道 周 期 和 极 其 高 速
的 轨 道 运 动 1% 光 速
B 的 脉 冲 辐 射 在 2.4 小 时 中 仅 有 10 分
钟 处 于 发 射 状 态
Ma=1.337 Mb=1.251 太 阳 质 量

3, 毫 秒 脉 冲 星 演 化
• 一 个 正 常 脉 冲 星 和 一 个 毫 秒 脉 冲 星 的 组
合 : 佐 证 了 公 认 的 “ 毫 秒 脉 冲 星 是 由 X 射 线
双 星 演 化 来 的 猜 想 。
• 双 星 系 统 中 , 质 量 大 的 先 爆 发 , 形 成 中 子
星 , 接 受 伴 星 物 质 成 为 X 射 线 脉 冲 星 , 获 得
自 转 加 速 , 形 成 毫 秒 脉 冲 星 , 第 二 颗 恒 星
超 新 星 爆 发 后 形 成 正 常 脉 冲 星 。

4, , 检 验 爱 因 斯 坦 广 义 相 对 论 和 引 力
波 理 论 最 理 想 的 实 验 室
• 轨 道 周 期 仅 为 2.4 小 时 , 轨 道 比 较 圆 , 椭 率
为 0.088, 平 均 速 度 达 到 0.1% 光 速 , 两 个 脉
冲 星 之 间 距 离 最 近 , 引 力 辐 射 更 强 , 一 年
就 可 以 观 测 到 轨 道 明 显 的 变 化 。
• 对 双 脉 冲 星 系 统 的 初 步 观 测 已 经 测 出 广 义
相 对 论 的 4 种 效 应 , 与 理 论 值 符 合 得 很 好 。

5, , 双 中 子 星 并 合
• 引 力 辐 射 将 导 致 两 颗 中 子 星 将 逐 渐 接 近 ,
最 后 并 合 , 可 能 形 成 一 个 黑 洞 。 中 子 星 并
合 事 件 会 产 生 非 常 强 烈 的 引 力 波 , 可 能 被
最 灵 敏 的 引 力 波 探 测 器 发 现 。
• 双 脉 冲 星 的 轨 道 周 期 短 , 并 合 时 间 要 , 大
约 需 要 8500 万 年 。 大 约 十 年 就 可 以 发 生 一
次 并 合 事 件 。 而 按 PSR1913+16 情 况 估
计 ,100 年 才 有 可 能 发 生 一 次 并 合 事 件 ;

6, 脉 冲 星 的 磁 层 研 究
B 脉 冲 星 的 光 速 圆 柱 半 径 比 A 脉 冲 星 得
100 倍 , 当 A 运 动 到 B 的 后 面 , 有 30 秒 时 间 A
的 射 电 波 通 过 B 的 磁 层 , 是 研 究 B 脉 冲 星 磁
层 的 好 机 会 。

7, , 近 星 点 的 进 动 和 脉 冲 轮 廓 的 变 化
• 双 脉 冲 星 系 统 中 ,A 星 和 B 星 的 轨 道 进 动 比
水 星 大 得 多 , 分 别 为 每 年 75 度 和 71 度 。 可
进 一 步 检 验 广 义 相 对 论 理 论 。
• 更 有 意 义 的 是 , 轨 道 的 进 动 将 会 引 起 脉 冲
轮 廓 的 变 化 , 甚 至 使 脉 冲 星 从 我 们 的 视 线
中 消 失 。

• 脉 冲 星 平 均 脉 冲 轮 廓
是 视 线 扫 过 辐 射 锥 的
一 维 形 状 。
• 由 于 轨 道 的 进 动 将 引
起 辐 射 锥 的 进 动 , 脉
冲 形 状 会 发 生 变 化 。
• 右 图 是 A 星 的 平 均 脉
冲 偏 振 观 测 结 果 。 脉
冲 轮 廓 形 状 会 不 会
变 ? 怎 么 变 ?

当 今 脉 冲 星 发 现 情 况
40 年 发 现 脉 冲 星 1791 颗
• 毫 秒 脉 冲 星 ( P < 20ms) 200
• 脉 冲 双 星 ( 双 星 中 有 一 颗 是 脉 冲 星 )130
• X-ray 脉 冲 星 80
• 反 常 X-ray 脉 冲 星 (AXP)12
• 磁 星 6 – 10 15-17 G
• 在 星 团 中 发 现 的 98
• 银 河 系 之 外 25
• 双 脉 冲 星 1

反 常 X 射 线 脉 冲 星 (AXP(
AXP)& 软 伽 玛 重 复 暴
(SGR)
SGRs,
AXPs
High B
Radio
Pulsars
Radio
Pulsars
Millisecond
Radio
Pulsars
V. Kaspi 2006