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什么是脉冲星?脉冲星有何意义?
“中国天眼”首次发现脉冲星!10月10日,中科院科学传播局和国家天文台公布了500米口径球面射电望远镜FAST首次探测到的两颗脉冲星。这两颗脉冲星分别是8月22日、25日,在南天银道面通过漂移扫描发现的,距离地球分别为1.6万光年和4100光年。
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相信大家通过网络已经对脉冲星有了初步的认识,它就是高速自旋的中子星,如图1所示。那我今天重点讲一下自转周期为毫秒级的脉冲星(毫秒脉冲星)在空间导航中的意义。在近地轨道空间,全球导航卫星系统(GNSS)可以满足地球表面设施、空间飞行器的米级导航精度。但当飞行器一旦进入深空,人类的测控手段就比较少了,地面站测控也存在着信号延迟等问题。实现深空航天器的完全自主导航是空间科学家的一个梦想。而毫秒脉冲星发出的稳定周期脉冲信号非常类似于GNSS观测信息,不仅可以提供距离测量信息进行位置确定,而且周期信号中还包含了授时信息,这是天文导航所不能比拟的。
图1脉冲星示意图
尽管其最终要用于深空自主导航,但不同组织都不约而同地在近地轨道空间争相开展脉冲星导航的实验。2016年11月,中国航天科技集团发射了脉冲星试验卫星(XPNAV-1),事后数据分析表明可提取X射线波段的蟹状星云(Crab)脉冲信号。2017年,中科院高能所和空间应用中心科研人员利用天宫二号上的伽马暴偏振探测器(POLAR)观测数据完成了我国首次脉冲星导航空间实验,提取了Crab脉冲信号,如图2所示,并进行了天宫二号的位置解算,精度达到10公里左右。
脉冲星,其实就是具有强大磁场且高速自转的中子星。从它磁极发出的辐射随着自转会周期性扫过地球,使得我们观测到短周期脉冲信号。中子星很小,半径只有10公里左右,但其质量却很大,通常有太阳的1.4倍那么重。要改变这么重的物体的运动状态是很难的,所以中子星的自转很稳定。原则上,如果不受其他因素影响,那么我们就能看到脉冲星每隔固定的时间就发出一个脉冲信号。
自从1967年英国女天文学家贝尔在她的导师休伊什指导下发现首例脉冲星至今,人们又探测发现到的脉冲星约1000多颗,其中绝大多数是射电脉冲星。
科学家把射电脉冲星形象地解释为“灯塔”效应,因为它们的辐射束会周期地扫过,所以地球上可接收到这种极有规律的节奏脉冲信号。这种周期性的脉冲就像人体的脉搏有规律的跳 动、脉冲周期有的只有几十分之一秒,甚至更短;长的也只有三四秒,脉冲之名就由此而得。一般符号为“PSR ”,后面数字指它在天球上的赤道坐标“赤经和赤纬”。例如:PSR1919+21,指的是脉冲星位于赤经19h19m,赤纬+21°。
脉冲星刚发现还没有证实时,人们还以为是外星人发来的讯号,“小绿人”的故事由此引发。天文学家通过继续观察认为,如果信号果真是“小绿人”发出的,他们应该居住在某个行星上,行星绕它的恒星“太阳”转动,应该引起脉冲星间隔时间的变化,然而没有观测到这样变化。到1969年1月底,进一步的观测记录和对以往记录的详细检查使天文学家确信,另外有3个源也会发出类似的脉冲信号,于是“小绿人”的***说不成立。因为天上相距如此遥远的4个地方的“小绿人”不可能会约好用同样的频波,向地球发信号的。随后新的观测事实进一步证实他们是发现了新的天体,那就是快速自转的中子星的特例—脉冲星。
脉冲星的发现与研究取决于射电天文技术。有人认为脉冲星辐射的能量是靠消耗它自身的自转能而来的,随着脉冲星不断地辐射能量,它的自转则逐渐变慢,这就是脉冲星周期缓慢变长的原因。实际上,脉冲星上的能量转化过程是十分复杂的,“自转能”首先转变为“低频的磁偶极辐射 ,然后再转化为“高能粒子的能量”和“电磁辐射的能量”,目前,关于这种能量转化的机制人类还不十分清楚。
脉冲星是上世纪60年代的四大天文发现之一(另外三个分别是类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子)。
图:射电望远镜
在1967年时,剑桥大学的卡文迪许实验室发现来自太空的有规律的无线电信号,发现它是24岁研究生乔丝琳,她开始认为这是一个外星文明发出的信号,还给这个外星文明取了一个“小绿人”的绰号。随着越来越多的信号被发现,这个信号被确认为一种天体发出。
在脉冲星被发现不久,脉冲星就基本被确定为中子星。中子星是大质量恒星在燃料耗尽后的产物,由于内部冷却,恒星物质在质量形成的重力作用下,向内部挤压。以至于将电子挤压入原子核,并与质子结合形成中子(质子带1个正电荷,电子带一个负电荷)。
由于角动量守恒的原因,当一颗恒星半径从几十万、上百万千米压缩到只有几十千米到几千米的中子星,它会继承恒星大部分的角动量。就像花样滑冰运动员把手臂收回就会加快旋转速度一样,中子星会加快旋转速度。最快的脉冲星每秒钟能自转716次。但脉冲星的旋转不是没有上限的,理论上的上限是每秒1500转,超过这个转速,中子星表面速度就大于了它的逃逸速度,这会使它分崩离析。
由于中子星的自转轴与磁极有一个夹角,而电磁波只能由磁极发出,所以就形成了电磁波的“扫射”现象。每一次扫过地球,地球上的射电望远镜就接受到一次无线电波,形成了一个脉冲信号。这个脉冲信号非常有规律,有的毫秒级别的脉冲星信号甚至比原子钟还有规律。
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