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中国古代文献中的“客星”与奇妙的脉冲星
腾讯科学张月竹/潘元月/张承民2015年01月12日09:01
张月竹、潘元月、张承民/文
1.中国古人记录的奇妙客星
夜晚绚丽的烟火映亮深遂的天空,美丽的景色令人无限遐想宇宙的遨游, 放飞孩子们广袤的梦想。
然而, 数百年前, 这真不是梦想。 一个比烟花更具震撼力的星象爆炸画面早已照亮过这夏夜的天空, 它就是距地球6500光年的一次超新星爆炸, 现今留下一片横行的蟹状星云, 坐落于金牛座, 它是北半球冬季夜空上最大、 最显著的星座之一。 只可惜在那遥远年代没有如现在一样先进的影像记录器材, 致使我们错失了千年不遇的壮丽景观。 遗憾之余的万幸, 我国天文学家用汉字为全世界人民详细记录了这一千载难逢的天象, 并以“客星”的名字最完整地记载了这颗超新星爆发的情况。
超新星爆发于1054年7月4日, 相当于宋仁宗至和元年五月二十六日, 中国古时用干支纪日, 这一天的日名为“己丑”。 经过证实, 印度、 阿拉伯和日本天文学家也于公元1054年记录了这次星象。
我国天文学者查找了相关史籍, 依照其考证描述, 此客星在四方都有尖尖的光辉, 并带着微红白的颜色, 此外这颗超新星在爆发阶段, 观察者在白天可以见到的时间长达23天, 在夜晚可见的时间则持续了一年十个月之久。 此蟹状星云的亮度即使在百年之后也几乎和满月的亮度相当, 在这段期间其耀眼的光辉约有太阳的40亿倍。 如果这颗超新星在距地球50光年的附近爆发, 那么地球上所有的生命都将被其高能粒子射线所毁灭。
依照中国古人的记载, 这颗被称为客星的1054超新星爆发是一种剧烈的天象, 它像客人一样, 突然来了, 又悄悄地走了。 据说当时欧洲的教士看到了这次奇异天象, 可惜欧洲天文学家们找不到任何有关这个天象的记录。 而住在北美州的亚利桑那的古代印第安人, 则可能因为看到这个天象而将这个事件绘成了两幅图像, 这两幅画分别位于White Mesa以及Navajo Canyon的岩壁上。 这颗超新星被遗忘了600年之久, 直到人们用望远镜再次发现它时, 它已经暗的无法再用肉眼去观察其细节部份了。 经研究发现, 它和彗星不同, 随着时间的推移它不会在空中移动, 这是一个完全不同于彗星的性质。 向天空望去, 它的丝状结构看起来很像甲壳类生物的脚, 因此1850年罗斯爵士将此星云命名为"蟹状"星云。 在罗斯爵士观测的十年之后, 天文学家们仍然为这奇异天体的神秘而持续的研究着蟹状星云。下图是于1892年, 美国天文学家罗伯兹在0.5米望远镜上拍下了蟹状星云的第一张照片(图1-2), 30年后天文学家在对比蟹状星云以往的照片时, 发现它在不断扩张, 速度高达1100公里/秒, 于是人们便对蟹状星云的起源产生了兴趣。 事实证明对蟹状星云的研究占了当代天文学研究的很大比重, 也得到了相当比重的研究成果。
1942年, 荷兰天文学家奥尔特以其令人信服的论证, 确认蟹状星云就是诞生于1054年那次壮观的超新星爆发后形成的。 该星云由英国医生、 天文学爱好者约翰·贝维斯于1731年发现, 最初贝维斯发现天空中有一团类似于云状的物体, 并把它添加到自己的星图中, 直到法国天文学家查尔斯·梅西耶独立观察它27年后, 这件事情才再次得到证实:它是恒星的遗骸。 查尔斯·梅西耶是一个痴迷的彗星猎手, 但是由于当时望远镜的灵敏度有限, 致使观测不是很清晰, 这团朦胧的星云一直点缀在夜空中, 令人无限遐想。 1771年梅西耶将此星云加入到自己的《梅西耶星团星云表》中并名列榜首, 代号为M1。
由中国南宋的天象官最早观测到的一次超新星爆发的记载
1892年美国天文学家罗伯兹用望远镜拍到蟹状星云的第一张照片
2.证明中子星是超新星爆发产生的有力证据
上世纪三十年代(1930), 物理学家在发现中子后, 猜想存在由中子构成的星体, 这种星体只有20公里大小, 相当于北京市区的范围, 可是其质量却相当于整个太阳系总和。这在当时是一个天方夜谭的科幻构想。 在物理学家预言中子星的存在之后不久, 天文学家就预言中子星是超新星爆发的产物。 然而如何证明这一猜想呢? 这当然是要用望远镜观测事实来验证, 首先要发现中子星, 然后在蟹状星云中寻找残留的中子星。
1968年, 机会终于给了有心人, 回报了天文学家的耐心等待。 这年夏天, 英国天文学家贝尔女士和其导师休伊斯教授发现了第一颗脉冲星, 即转动的中子星, 这一发现获得了1974年的“诺贝尔物理奖”, 是天文观测第一次获得这样崇高的荣誉。 接下来, 天文学家将目光投向中子星的“母亲”, 其前身星到底是什么? 中子星诞生后, 其附近的遗迹是什么样子? 难道1054年的客星与中子星存在必然联系吗? 1969年澳大利亚天文学家在蟹状星云中发现了一颗脉冲星(PSRB0531+21), 即Crab脉冲星。 这一事件振奋人心, 它解答了天文学家的长期困惑——客星到底是怎么形成的。 现代天体物理告诉我们, 一颗约为15个太阳的大质量恒星, 演化到晚期时, 将经历超新星爆发, 其核心将形成一颗中子星, 而由外部物质爆炸扩散而形成我们所看到的星云, 即超新星遗迹。 1054年客星与脉冲星的密码被破解, 这不仅是天文界的巨大进展, 也是中国古人的骄傲。 这颗高速自旋的“客星”脉冲星证明了30年代对中子星的预言, 肯定了一种恒星演化理论: 超新星爆发时, 气体外壳被抛射出去, 形成超新星遗迹, 就像蟹状星云, 而恒星核心却迅速坍缩, 由恒星质量决定它的归宿是颗白矮星、 中子星或是黑洞。 进一步观测发现, Crab脉冲星是一颗强大的电磁辐射源, 它以固定而且很短的周期释放辐射脉冲, 其转动周期仅有33 毫秒, 即每秒转动33圈, 这是一个令人难以置信的高速运动。 现已证明是高速自转的中子星具有超强磁场, 相当于地磁场的万亿倍, 高强磁场的极冠将辐射约束成很窄的高能粒子, 产生电磁波束向外释放。
超新星遗迹的寿命较短, 只有几十万年, 之后就会烟消云散了。 而脉冲星的寿命远远超过这个值, 大约在一亿年里, 天文学家仍然用望远镜可以看到它的辐射, 只是转动周期延长到10秒。 因此, 绝大多数脉冲星不可能找到相联系的超新星遗迹。 加上脉冲星有大约每秒500千米的自行速度, 这将会导致遗迹与脉冲星分离, 即: 年龄大的脉冲星就会跑出超新星遗迹。 此外, 还有可能是由于脉冲星的辐射没有朝向地球或被其它物质所覆盖等等, 诸多原因都阻碍了我们的观测脉冲星。 天文学家致力于搜寻年青脉冲星和超新星遗迹相联系的证据, 证实了超新星爆发是中子星产生的主要机制, 这个进展主要从射电超新星遗迹的高灵敏度的观测研究获得。 以前的观测, 由于灵敏度不高, 只给出超新星遗迹中比较强的部分的射电图象, 当脉冲星处在该遗迹的辐射较弱的地方时, 就判断为脉冲星和这个遗迹无关了。 因此Crab脉冲星的发现特别重要, 它是超新星爆发产生中子星的关键证据。
3.Crab脉冲星的全波段辐射
Crab脉冲星作为主要的星际观测对象之一, 虽然不是观测到的第一颗脉冲星, 但是在脉冲星的研究过程中却起了举足轻重的作用。 它于1969年首先在射电波段发现, 随后发现它还是光学、 X射线、 γ射线和红外波段的脉冲星。 迄今为止, 在几乎所有电磁波段上都能观测到脉冲星现象的只有它和帆船座脉冲星, 但帆船座脉冲星光学亮度很暗, 只有蟹状星云脉冲星的万分之一, 很难观测。 所以, Crab脉冲星是天文学家了解致密星精确演化的探针。
哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope, 缩写为HST)于1990年成功发射, 位于地球的大气层之上, 因此影像不会受到大气湍流的扰动, 视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光, 还能观测到被臭氧层吸收的紫外线, 弥补了地面观测的不足。 它帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题, 使得人类对天文物理有更多的认识, 是天文史上最重要的仪器之一。 2013年, 由美国宇航局哈勃空间望远镜拍摄的神奇蟹状星云。
斯必泽太空望远镜(Spitzer Space Telescope, 缩写为SST)由美国国家航空航天局于2003年8月发射, 是人类送入太空的最大的红外望远镜, 此太空望远镜是美国宇航局发射的四大太空望远镜之一。 图(3-2)所示的复杂的红外视图由斯必泽太空望远镜于2008年拍摄。超行星爆炸结束了大质量恒星的生命, 蟹状星云是破碎的恒星的残骸。 图中蓝白色区域是被包围在恒星磁场内的高能电子云遗迹, 红色丝状结构渗透整个星云, 这种辐射就是我们所熟知的电磁辐射。 我们对蟹状星云脉冲星有着40多年的观测记录, 现今仍是天文学家研究的热点课题之一。
4.蟹状星云脉冲星近期表现
蟹状星云(Crab)脉冲星仅仅是蟹状星云正中间一个明亮的小点, 那是现代天文学家眼中最奇异的天体之一。 这颗坍缩了的恒星内核残骸如同一部宇宙发电机, 为蟹状星云在整个电磁频谱范围内产生的辐射提供了动力。 蟹状星云宽约12光年, 估计质量可达4 - 5个太阳质量, 其磁场强度约为10-3到10-4高斯。
脉冲星的辐射机制
蟹状星云脉冲星位于这张迷人蟹状星云图片的正中间。此图是结合光学巡天数据和钱德拉空间天文台X射线数据绘制而成。
根据天文学家提供的数据, Crab脉冲星现时自转周期 P = 0.033085 s, 直径大约25千米。 该星体除了辐射射电脉冲, 还有X射线和光学射线等等, 其辐射光子的能量超过30 千电子伏(KeV), 而且非常稳定, 因此天文学家将Crab脉冲星看成是宇宙中最具参考性, 多波段源之一, 并将其作为一种标准源来测量宇宙其他辐射源的能量。 Crab脉冲星有着长期的观测记录, 也是唯一一颗准确知道其诞生年龄的脉冲星, 在研究脉冲星自旋周期的特性中具有重要的作用。
这幅由地基望远镜拍摄,分别用蓝色和红色描绘了窄波段数据中电离了的氧和氢原子的发射线,并且呈现了这团仍在扩张中的宇宙云内部错综复杂的丝状结构。星云正中间有一个明亮的小点——蟹状星云脉冲星。
据统计脉冲星诞生时的平均自旋周期在20 – 30 毫秒, 而百万年后的平均自旋周期在0.5秒左右。 对于脉冲星自转速度缓慢变慢的这种性质, 我们主要归结为由于它自身的电磁辐射消耗自转能引起的。 我们从电磁辐射的角度讨论Crab脉冲星减速, 随着时间的推移周期变长的速率逐渐变慢。 以Crab脉冲星为研究对象计算出诞生时的初始自旋周期15毫秒, 经过一万年后Crab脉冲星的自转周期约为100毫秒。
蟹状星云中心区域由于脉冲星极高能量的不断释放而变得异常活跃。 大多数天体的演化非常缓慢, 只有经历很长的时间尺度才能觉察出变化。 而蟹状星云的内部在几天之内就能产生明显变化, 因此对蟹状星云脉冲星的研究对天文学意义重大。
每当天文学家观测Crab脉冲星, 让人想起1054年中国古代天文学家的记录, 尊敬之情油然而生。
[责任编辑:quarkqiao]
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