脈衝星，又稱波霎，是高度磁化的旋轉緻密星（通常是中子星，但也有白矮星），其磁極發出電磁輻射束。 僅當發射光束指向地球時才可以觀察到此輻射（類似於僅當將光指向觀察者的方向時才可以看到燈塔的方式），並且該輻射是發射的脈衝形式的原因。 中子星非常密集，具有短的規則旋轉週期。 對於單個脈衝星，這會在脈衝之間產生非常精確的間隔，範圍從毫秒到秒。 脈衝星是超高能宇宙射線源的候選者之一。 （另請參見。） 脈衝星的週期使它們成為天文學家非常有用的工具。 在雙星中子星系統中對脈衝星的觀測被用來間接確認引力輻射的存在。 在脈衝星 PSR B125712 附近發現了第一批太陽系外行星。 1983 年，檢測到某些型別的脈衝星，當時它們在保持時間方面超過了原子鐘的精度。 觀測的歷史 發現 1967 年 10 月，劍橋大學卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory）的安東尼休伊什（Antony Hewish）教授的研究生 24 歲的喬絲琳貝爾伯奈爾（Jocelyn Bell Burnell）檢測射電望遠鏡收到的訊號時無意中發現了一些有規律的脈衝訊號，它們的週期十分穩定，為 1337 秒。起初她以為這是外星人 小綠人（LGM Little Green Man）發來的訊號，但在接下來不到半年的時間裡，又陸陸續續發現了數個這樣的脈衝訊號。後來人們確認這是一類新的天體，並把它命名為「脈衝星」。脈衝星與類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子一道，並稱為 20 世紀 60 年代天文學 四大發現。安東尼休伊什因脈衝星的發現而榮獲 1974 年的諾貝爾物理學獎，儘管人們對喬絲琳貝爾伯奈爾未能獲獎而頗有微詞。 值得一提的是，1967 年阿拉斯加彈道導彈預警中心的雷達控制人員也觀察到了一些脈衝訊號源並確認他們來自天體。這一發現早於劍橋大學的研究人員，但由於軍事保密要求，直到 21 世紀解密之時才被世人所知。 中子星的存在是沃爾特巴德（Walter Baade）和弗裡茨茲威基（Fritz Zwicky）於 1934 年首次提出的，當時他們認為超新星將產生一個主要由中子組成的小而密集的恆星。 基於磁性主序星的磁通量守恆的想法，洛德韋克沃爾徹 Lodewijk Woltjer 於 1964 年提出，這樣的中子星可能包含的磁場高達 1014 到 1016 G。1967 年，即在發現脈衝星之前不久，弗蘭科帕西尼（Franco Pacini）提出了一個旋轉的具有磁場的中子星會發出輻射，甚至指出這種能量可以被泵送到中子星周圍的超新星遺蹟中，例如蟹狀星雲。在發現第一個脈衝星後，湯馬士戈爾德（Thomas Gold）獨立提出了一個類似於帕西尼（Pacini）的旋轉中子星模型，並明確指出該模型可以解釋貝爾伯奈爾（Bell Burnell）和休伊什（Hewish）觀測到的脈衝輻射 。1968 年，Richard V E Lovelace 與合作者一起使用阿雷西博天文臺發現了蟹狀星雲脈衝星的 Papprox 33 ms 。蟹狀星雲脈衝星的發現為脈衝星的旋轉中子星模型提供了證實。蟹狀星雲脈衝星的 33 毫秒脈衝週期太短，無法與其他建議的脈衝星發射模型保持一致。 此外，之所以如此命名，是因為它位於蟹狀星雲的中心，與 1933 年對巴德 Baade 和茲威基 Zwicky 的預測一致 Lyne GrahamSmith pp 17 1998。 里程碑發現 1974 年，約瑟夫泰勒 Joseph Hooton Taylor Jr 和拉塞爾赫爾斯 Russell Hulse 共同發現史上第一個位於雙星系統的脈衝星 PSR B191316，並透過對其深入研究首次發現引力波存在的間接定量證據，是對愛因斯坦廣義相對論的一項重要驗證。這顆脈衝星繞軌道執行的另一箇中子星只有八小時的執行時間。愛因斯坦的廣義相對論理論預測，該系統應發出強大的引力輻射，使軌道在失去時不斷收縮。對脈衝星的觀測很快證實了這一預測，為重力波的存在提供了第一個證據。 截至 2010 年，對該脈衝星的觀測仍與廣義相對論保持一致。 1993 年，泰勒和赫爾斯因發現該脈衝星而獲得了諾貝爾物理學獎。 1982 年，（Don Backer）領導的一個小組發現了脈衝星 PSR B193721，其旋轉週期僅為 16 毫秒（38500 rpm）。 不久的觀測表明，它的磁場比普通脈衝星弱得多，而進一步的發現鞏固了這樣一種觀念，即已經發現了一種新型天體，即 毫秒脈衝星（MSP）。 MSP 被認為是 X 射線聯星的最終產物。由於 MSP 異常快速且穩定的旋轉，天文學家可以將其用作與地球上最佳原子鐘的穩定性相媲美的時鐘。 1992 年，亞歷山大沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）在 PSR B125712 附近發現了第一顆太陽系外行星。 這一發現提供了有關太陽系外行星廣泛存在的重要證據，儘管任何生命形式都不可能在脈衝星附近的強輻射環境中生存。 2016 年，天蠍座 AR 被認為是第一個這樣的脈衝星，在其中緊湊的天體是白矮星而不是中子星。 形成，機制，關閉 1968 年有人提出脈衝星是快速旋轉的中子星 。中子星具有強磁場，運動的帶電粒子發出同步輻射，形成與中子星一起轉動的射電波束。由於中子星的自轉軸和磁軸一般並不重合，每當射電波束掃過地球時，就接收到一個脈衝。 恆星在演化末期，缺乏繼續燃燒所需要的核反應原料，內部輻射壓降低，由於其自身的引力作用逐漸坍縮。質量不夠大 約數倍太陽質量 的恆星坍縮後依靠電子簡併壓力與引力相抗衡，成為白矮星，而在質量比這還大的恆星裡面，電子被壓入原子核，形成中子，這時候恆星依靠中子的簡併壓與引力保持平衡，這就是中子星。典型中子星的半徑只有幾公里到十幾公里，質量卻在 12 倍太陽質量之間，因此其密度可以達到每立方厘米上億噸。由於恆星在坍縮的時候角動量守恆，坍縮成半徑很小的中子星後自轉速度往往非常快。又因為恆星磁場的磁軸與自轉軸通常不平行，有的夾角甚至達到 90 度，而電磁波只能從磁極的位置發射出來，形成圓錐形的輻射區。 此外，在脈衝星便是中子星的證據中，其中一個便是我們在蟹狀星雲（M1；原天關客星，SN 1054）確實也發現了一個週期約 0033s 的脈衝星。 脈衝星靠消耗自轉能而彌補輻射出去的能量，因而自轉會逐漸放慢。但是這種變慢非常緩慢，以致於訊號週期的精確度能夠超過原子鐘。 而從脈衝星的週期就可以推測出其年齡的大小，週期越短的脈衝星越年輕。 當脈衝星的自旋週期充分減慢時，無線電脈衝星機制被認為會關閉（所謂的 死亡線）。 這種關閉似乎發生在大約 1000 萬1 億年之後，這意味著在宇宙 136 億年的年齡產生的所有中子星中，大約 99％不再脈動。 儘管人們普遍接受脈衝星是快速旋轉的中子星的一般情況，但馬克斯普朗克地外物理研究所的沃納貝克爾 Werner Becker 在 2006 年表示：即使在近 40 年的工作之後，脈衝星如何發射輻射的理論仍處於起步階段。 毫秒脈衝星 20 世紀 80 年代，人們又發現了一類所謂的毫秒脈衝星，它們的週期非常短，只有毫秒量級，之前的儀器雖然能探測到，但是很難將脈衝分辨出來。研究發現毫秒脈衝星並不年輕，這就對傳統的 週期越短越年輕 的理論提出了挑戰。進一步的研究發現毫秒脈衝星與密接聯星有關。 脈衝雙星 1974 年，美國的拉塞爾赫爾斯和約瑟夫泰勒發現了第一個脈衝雙星系統。它由一顆脈衝星，PSR 191316，與一顆中子星構成，軌道週期很短，僅為 775 小時。軌道的偏心率為 0617。當兩顆子星相互靠得很近時，極強的引力輻射會導致它們的距離愈加靠近，軌道週期會逐漸變短。透過精確地測量射電脈衝雙星軌道週期的變化可以檢測引力波的存在，驗證廣義相對論。赫爾斯和泰勒也因此獲得 1993 年的諾貝爾物理學獎。 2003 年 4 月，研究人員發現 PSRJ0737－3039A 的週期為 22 毫秒，並且在有規律地變化。人們認為這是一個罕見的雙脈衝星系統，兩顆子星都是脈衝星，並且輻射束都掃過地球。觀測顯示，這對雙脈衝星系統的 A 星是一顆 1337 太陽質量的毫秒脈衝星，週期 22 毫秒，B 星是一顆 1251 太陽質量的正常脈衝星，週期 227 秒。兩顆子星相互環繞的軌道週期僅為 24 小時，軌道偏心率為 0088 平均速度達到 01 光速。這個雙脈衝星系統的發現為檢測引力波的存在帶來了新的希望。 命名規則 脈衝星的命名由脈衝星英文的縮寫加上其赤經赤緯座標組成。如 PSR B193721，1937 是指該脈衝星位於赤經 19 37 ，21 是指其位於赤緯 21，意味著赤經赤緯值是歸算到曆元 1950 年的值。此外，則表示赤經赤緯值是歸算到曆元 2000 年的值。 在起初，像 CP 1919 一樣，天文臺使用的一個字母，脈衝星的使用的字母為，而的度數和弧分數則使用兩位數。 代表天文臺的一個字母的含義如下。 阿雷西博天文臺 劍橋 哈佛天文臺 卓瑞爾河岸天文臺 美國國家射電天文臺 皮奇諾 現代慣例在較舊的數字前面加上一個 B（例如 PSR B191921），其中 B 表示座標是 19500 紀元。 所有新的脈衝星都有一個指示 20000 座標的 J，還具有包括分鐘在內的偏角（例如 PSR J19212153）。 在 1993 年之前被發現的脈衝星傾向於保留其 B 名稱而不是使用其 J 名稱（例如，PSR J19212153 更通常被稱為 PSR B1919 21）。 最近發現的脈衝星只有 J 名稱（例如 PSR J04374715）。 所有脈衝星都有一個 J 名稱，可以提供其在天空中位置的更精確座標 Lyne Andrew G GrahamSmith Francis Pulsar Astronomy Cambridge University Press 1998。 分類 根據電磁輻射動力的來源，天文學家目前已知三類不同的脈衝星： 旋轉動力脈衝星，恆星旋轉能量的損失提供了動力， 由吸積動力的脈衝星（佔大多數但不是全部的 X 射線脈衝星），其中吸積物質的重力勢能是動力（產生從地球可觀察到的 X 射線）。 磁星，其中極強磁場的衰減會提供電磁能。 儘管所有這三類物體都是中子星，但它們的可觀察行為和基本物理學卻大不相同。 但是，存在一些連線。例如，X 射線脈衝星可能曾經是旋轉動力脈衝星，已經失去了大部分動力，並且只有在其聯星同伴膨脹並開始將物質轉移到中子星之後才重新可見。 著名的脈衝星 300 pc 以內的脈衝星 PSR 距離 pc 年齡 Myr J00300451 244 7580 J01081431 238 166 J04374715 156 1590 J06331746 156 0342 J06591414 290 0111 J08354510 290 00113 J04530755 260 175 J10454509 300 6710 J17412054 250 0387 J18563754 161 376 J21443933 165 272 此處列出的脈衝星要麼是最早發現的這種脈衝星，要麼就是代表已知脈衝星種類群中某種型別的極端事件，例如，測量週期最短。 發現的第一顆脈衝星：CP 1919 現在命名為 PSR B191921），也就是上文貝爾小姐發現的那顆脈衝星，位於狐狸座方向，脈衝週期 133730119227 秒，脈衝寬度 004 秒。1967 年被發現（Nature 2177097131968）。 發現的第一顆脈衝雙星：PSR B191316 發現的第一個毫秒脈衝星：PSR B193721 發現的第一顆帶有行星系統的脈衝星：PSR B125712 發現的第一顆雙脈衝星系統：PSR J07373039 發現的第一個 X 射線脈衝星：半人馬座 X3 最亮的脈衝星（在電波頻率）：船帆座脈衝星（PSR J08354510 或 PSR B083345） 最亮的毫秒脈衝星：PSR J04374715 最短週期的脈衝星：PSR J17482446ad，週期時間約為〜00014 秒或〜14 毫秒（每秒自轉 716 次）。 最長的脈衝星週期為 1182 秒，也是唯一已知的白矮星脈衝星天蠍座 AR。 相簿 ImageCrab Lucky video2gif 影片 蟹狀星雲脈衝星 明亮的脈衝和脈衝間隙。 ImageVela Pulsar jet seen by Chandra Observatoryogv 影片 船帆座脈衝星 X 光 ImageArtists impression video of the exotic binary star system AR Scorpii videowebm 影片 天蠍座 AR 的藝術家模擬影片。 參閱 脈衝星風雲 脈衝星行星 PSR B162026 快速電波爆發 恆星演化 軟 γ 射線重複爆發源 SGR 白矮星 中子星 黑洞 超新星 夸克星（奇異星） 參考文獻 外部連結 脈衝星的發現 M P