随着发现希格斯波色子的消息传出，人造粒子加速器便成了最近各媒体争相报道的头版头条。不过，天文学家知道还有能量更强大的加速器正在宇宙的某处潜伏着。美国宇航局（NASA）的费米伽马射线空间望远镜可以捕捉到经宇宙加速器加速的粒子释放出的高能射线。在我们的银河系中，自旋的中子星（即脉冲星）是最知名的高能射线发射源。超大质量的黑洞在吸积周围物质时会产生喷流，如果其喷出方向正对着我们（观测者），就成为一种明亮的伽马射线源（耀变天体），并且是银河系外最常见的高能射线源。
最神秘的要数一群既不属于前者，也不属于后者的明亮伽马射线源。为了解开它们的秘密，天文学家提出了从遥远星系到近邻暗物质团块湮灭等等好几种模型，可还是未能给出让人信服的解释。
好在最近的几项研究结果为解密工作提供了不少助力。这些研究发现，有几个神秘的伽马射线源实际上是一种特殊类型的中子星 — 正在蒸发其伴星物质的“黑寡妇脉冲星”。令人惊讶的是这个发现并非归功于高能空间望远镜，尽管它的本职工作就是观测这些源。反倒是天文学家用地面望远镜观测被蒸发的伴星时获知了源的秘密。其实，伴星被加热、蒸发的过程不仅可以被看到，还非常引人入胜。在一些情况下，即使是用业余级别的探测器也能感受到这些宇宙加速器的致命杀伤力。
非同寻常的脉冲星：与其它毫秒脉冲星一样，黑寡妇也是每秒钟自转达到几百次的中子星。不同的是它是靠偷取伴星的物质来维持如此快的自转的。它发出的高速粒子风猛烈摧残、侵蚀着伴星，导致其最终剩余的质量仅为太阳质量的百分之几。这两颗星挨得非常近：相距仅0.01个天文单位，或者说它们的间距不足水星到太阳的距离的三十分之一。（图片提供：Casey Reed）
死而复生当一颗大质量恒星爆炸形成超新星后，它的核在引力作用下塌缩成一个直径只有30公里、密度却比水的密度高了百万亿倍（10的14次方）的中子星。通常，这个致密核身处超强磁场中，以小于0.1秒的周期快速自转着。在外部磁场和星体自转的共同作用下，带电粒子在磁极上方的粒子加速区里被加速至接近光速。当这些高速粒子穿过磁场时，其中的一小部分能量转换成辐射光束，余下的部分便以相对论性高速粒子风的形式逸出。
当辐射光束随着中子星的旋转扫过地球的时候，我们便可以探测到它（近半个世纪以前，我们就已经观测到这种辐射光束了）。它们通常表现为短暂的射电信号闪光，就像恒星灯塔发出的一闪一闪的光束一样（见下图）。绝大多数脉冲星都是在射电观测中被发现的。尽管如此，对于能量非常强的脉冲星来说，它不仅能发出覆盖整个电磁波波段的辐射，还能产生非常强的伽马射线脉冲信号。如果说脉冲星的辐射光束宣告了能量强劲的宇宙粒子加速器的存在，那么伽马射线标示出的则是所有加速器中能量最强者。
恒星灯塔示意图：脉冲星是绕自转轴旋转的中子星。它的辐射光束沿磁极的方向射出。由于磁轴与自转轴的方向并不相同，随着中子星的自转，辐射光束交替地进入和离开我们（观测者）的视线，形成短暂、有规律的光闪。（图片提供：S&T杂志 LEAHTISCIONE）
当然，能量不是取之不尽用之不竭的。随着时间的流逝，脉冲星的自转会越来越慢，加速器的功力也随之减弱。在头一千年里，相对论性高速粒子风可以持续给一个如蟹状星云（M1）那样的明亮星云提供能量。伽马射线辐射束可以在一百万年的时间里保持活力。可是再过一千万年甚至一亿年，连能量不高却比较容易被探测到的射电脉冲信号也逐渐衰弱下去。这时的中子星正不可避免地一步步走向死亡，像快燃尽的煤渣一样，渐渐归于冷寂。
不过，有些脉冲星却能获得第二次生命。如果这颗脉冲星正好是一个双星系统的成员，它的伴星经过几百万年或几十亿年的演化，也许能为这颗已经丧失活力很久的中子星提供燃料。这些燃料可以使它恢复几毫秒周期的自转，从而重新启动粒子加速器并且重新发出辐射光束。
1982年Don Backer（来自加利福尼亚大学伯克利分校）和他的同事发现了一个周期为1.6毫秒的射电脉冲信号源。消息一传出便震动了整个高能天体物理界。因为这个源的自转速度比蟹状星云脉冲星快了20倍（后者是当时已知旋转最快的脉冲星）。不仅如此，它也没有近期发生过超新星爆发的迹象。天文学家对此百思不得其解：它从哪里得到那么多能量去维持它那孤独却又精彩的旋转（每秒钟旋转642次）？它一定是通过某种途经重获新生。但是，那个为它的快速自转提供能量，让它重现生机的伴星在哪里？
黑寡妇的胃口Andrew Fruchter和他的同事（他们当时都任职于普林斯顿大学）在1988年发现的脉冲星PSR B1957+20（即J1957）为这个难题给出了一种可能的解答。这颗毫秒脉冲星与一颗质量非常小的恒星相互绕转构成双星系统。其绕转轨道周期只有9.2小时。引人注目的是，高能量的脉冲星粒子风似乎正在加热、蒸发着那颗伴星，不断把伴星的物质从星体表面剥离出去，使它的质量降低到亚恒星的质量范围（详情见本杂志1995年7月刊第13页）。这颗精力旺盛的脉冲星对把它从死亡边缘拯救回来的伴星毫无感恩之心，冷血无情地侵蚀着它。天文学家给这类脉冲星起了个外号叫黑寡妇（此名原指一种雌性蜘蛛。因其常在交配后吃掉雄性配偶而得此恶名。）
这颗黑寡妇和1982年发现的脉冲星都是通过探测它们发出的射电脉冲信号而被发现的。这一点并不奇怪。因为射电望远镜是异常灵敏的仪器，在脉冲星巡天搜寻中非常有用。不过，从伴星蒸发出的致密离子气流会散射或者吸收射电信号。事实也的确如此。J1957在射电波段发生了掩食现象。这是由于当伴星正好位于观测者和它之间时，它的射电信号在穿过伴星的物质风过程中被吸收或者减弱所造成的。出于同样的原因，黑寡妇有可能会藏身于它们在劫难逃的伴星挥发出的气流中而无法被探测到。
喷砂效应： 脉冲星的高速粒子风会逐渐侵蚀伴星， 撕裂它的外表层（红色和橙色部分）， 加热其受光面（白色和蓝色部分）。（从左上到右下：在第三和第四幅图中伴星的受光面被放大以显示更多细节。）当双星互相绕转，伴星交替呈现其受光面和背光面，使它看上去也交替地变亮和变暗。（图片提供：Cruz Dewilde/ NASA Goddard Space Flight Center）
揭开害羞的黑寡妇的面纱自从发现J1957以来的二十五年里，天文学家在银河的银道面区域只找到两个黑寡妇系统。虽然我们在球状星团里找到了更多，可是由于星团距离过远而且比较致密，我们难以对其进行仔细研究。
2008年发射的费米伽玛射线空间望远镜改变了这一切。黑寡妇，还有其他能量极强的毫秒脉冲星，旋转得如此快，以至于它们的粒子加速器能够产生伽马射线，从而被费米望远镜探测到。接着，再用射电望远镜到这些伽马射线源所在的位置去寻找射电脉冲信号。这种做法使脉冲星的搜寻工作变得非常富有成效。有时候，借助庞大的计算机来测试许多可能的脉冲周期，我们甚至无需射电观测，仅凭探测到的伽马射线就能发现脉冲星。到目前为止，我们在邻近区域已经发现了120多颗能量强劲的脉冲星。
我们从中找到了20个黑寡妇类型的双星系统。怎么这么多？与射电信号相比，伽马射线的能量比较高，可以穿透伴星的物质风（即使伴星正在猛烈地挥发着物质也不会影响）。正是依靠伽马射线的强信号，天文学家才能有的放矢地进行反复的射电观测证认，也因此大大增加了发现偶而才在伴星星风里露一下脸的脉冲星的机率。如果没有伽马射线信号，天文学家在射电波段巡天时会因为什么都没看到而错过。所以说，费米望远镜的伽马射线巡天实际上为搜寻脉冲星的人提供了一张标出宝藏位置的 “藏宝图”。
尽管获得了这样的成功， 在250个最亮的伽马射线源中，有6个天体仍然身份不明（它们不是耀变天体，不是脉冲星，也不是与前两者同类的其他天体）。我和我的同事在过去几年里一直跟踪观测这些神秘的源。它们的信号稳定，不随天或年发生变化。它们有能量很高的伽马射线谱——非常像脉冲星。然而，我们在射电波段对它们进行了反复观测，却没有任何发现。对它们的伽马射线信号做的数值分析也没能从中找出年轻、活力充沛的脉冲星理应发出的任何脉冲信号。
于是，我们开始怀疑这些源可能是绕转轨道非常紧密的黑寡妇系统，而我们要找的脉冲星则深藏于伴星的星风里。它们的射电脉冲信号可能很少有机会，或者永远无法穿透星风，使我们几乎不可能探测到它们。新近的两个发现支持了上面的猜想。不仅如此，这些发现还指出了问题的关键是找伴星。脉冲星的高速粒子风几乎是不可见的，除非它击中了什么东西。在黑寡妇双星系统里，加速粒子猛力撞击伴星，把它加热到极高的温度。当伴星围绕脉冲星转动，我们会轮流看到其明亮、炽热的一面（被加热的那面）和黯淡，发红的另一面（未被加热的那面）。
这是个与众不同的特征，但是要找到具有这样特征的恒星并不是一件容易的事。支撑伽马射线穿透星风的巨大能量同样也使这些信号无法在探测器上聚焦成像。所以，费米探测器是靠追踪伽马光子在探测器内部产生的正反粒子对来成像的。这种成像方法能提供的角分辨率十分有限。即使是一个已经精确定位的伽马射线源，在探测器上也可能出现在一个满月大小区域里的任意一点。如果我们要从星系的星场里搜寻一个暗弱的变星，需要对同一区域的十万颗恒星进行观测证认！这也毫不奇怪为何已发现的源要么位于远离银道面的稀疏星场中，要么有其他波段的观测（例如X射线观测）能提供更多详细信息。
位居脉冲星研究前沿的2个黑寡妇候选者
费米伽马射线源 2FGLJ2339.6-0532是首个通过观测伴星进而成功发现脉冲星的源。Albert Kong（来自台湾清华大学）和他的同事注意到这个源所在的区域有一颗变星。我们随后用各种望远镜观测并最终证实它确是一颗被炙烤着的伴星。它那位看不见的伙伴喷出的能量超过10倍太阳能量（可能是以脉冲星高速粒子风的形式）。我们用德克萨斯州的10米Hobby-Eberly望远镜拍摄到它沿轨道运动时的光谱（轨道周期为4.6小时）。仅仅两个小时内，它的光谱型就从F级（当它的受热面进入视线时，表面温度大约是7000开）变到M级（表面温度小于3000开，此时我们看到的是未被加热的那面），生动地向我们普及了一次有关恒星光谱类型的知识。光谱型的这种剧烈变化也可以从它在轨道运动中显现的颜色变化看出来（见下图）。
双面恒星：上图是由基特峰天文台的3.5米WIYN望远镜拍摄的照片合成的组图。从图中能明显看出J2339的伴星（已用圆圈圈出）的亮度和颜色变化。左侧是一颗7.6等的亮星HD 222358。（图片来源：Roger W. Romani）
这颗星是目前已知的所有被脉冲星加热的伴星中最明亮的。它的星等值最高可达18等。我们用斯坦福大学教学用天文台的0.6米望远镜跟踪它的轨道运动。我们清晰地看到它的亮度在五分钟里改变了三个星等。这颗伴星位于一颗7.6等星（HD222358）的西方3角分距离，很容易找到。装备精良的观测爱好者用10英寸以上、装备了敏感的CCD照相机的望远镜在一个观测时段内就能看到这颗被炙烤的伴星忽隐忽现（见下图）。
一次秋季观测挑战：如果配有合适的仪器，观测爱好者们就能看到黑寡妇的伴星那一面热、一面冷的强烈对比景象了。PSR J2339-0533位于双鱼座和宝瓶座交界的区域。在10月和11月的夜晚，北半球中纬度地区的观测者可以在高于树顶的位置看到它。在4.6小时的轨道运动中，J2339的亮度能改变3个星等，其星等峰值可达18等。观测者需要至少10英寸口径的望远镜和CCD才能捕捉到这颗时隐时现的伴星。它位于一颗7.6等星HD222358的西方3角分距离。如果在它的亮度达到峰值前一、两个小时就开始进行观测，那么你就能全程跟踪它变亮和变暗的过程了。如果有人想要估算它的亮度变化的相位，那么更精确的轨道周期是0.1930983天，亮度峰值出现在儒略日2456566.4952（2013年9月30日23：53 UT）。（图片提供：Gregg Dinderman）
也许，新近发现的被加热伴星（费米伽马射线源 2FGL J1311.7-3429）更加令人叹为观止。这颗伴星的亮度在仅仅94分钟里就变化了4个星等（从20等降到24等）。除了亮度如正弦曲线一样周期性地减弱和增强，它还产生了神秘的闪耀，使其亮度提高到18等。这颗伴星的受热面被加热到12000开——这是光谱B型的恒星的表面温度。随着受热面进入、离开我们的视线，我们正目睹着这颗伴星在高速粒子风的猛烈轰击中备受折磨、垂死挣扎。
当我们确认了这两颗伽马射线源的轨道周期之后，其他天文学家同时在伽马射线和射电波段探测到了毫秒级脉冲信号，证实了它们确实是黑寡妇脉冲星系统。其实，射电波段的证认工作是非常困难的。因为脉冲信号被深深地埋藏在伴星的星风里，只有在星风减弱的片刻才能探测到信号（在一百次重复观测中也只有几次能遇上这种情况）。射电巡天是不太可能发现这些被深埋的脉冲星的，所以我们需要费米探测器来帮助定位。
费米望远镜仍然继续为我们指示着宇宙加速器的藏身之处。随着两个神秘天体已经被确认为黑寡妇系统（而且是已知的、处于最极端情况的黑寡妇系统），我们热切期待着能从神秘莫测的伽马射线巡天中挖掘出其它令人惊叹的宇宙粒子加速器。
注：本文作者是斯坦福大学的物理学教授，也是Kavli粒子天体物理学和宇宙学研究所的研究人员。他还是费米巡天项目科学组成员。其主要研究方向是中子星、黑洞和其他高能天体。
