射电脉冲星与中子星

1、普通天文学 张 立 云 理学院 回 顾 星等 恒星距离 光谱型 恒星视星等 肉眼 中型望远镜 大型望远镜 空间望远镜 绝对星等 视星等不是恒星真实发光能力 把恒星移到10秒差距(32.6光年)处 再比较它们的亮度（目视星等） 其目视星等叫做绝对星等 m表示目视星等 M表示恒星的绝对星等， r表示恒星的距离（以秒差距） 天体距离的测量（小结） 天体距离的测量（小结） 小结：天体距离测定的方法 方法 测量天体 距离尺度 三角视差法 太阳系及邻近恒星 100pc 分光视差、威尔逊 巴普法 银河星团及较远恒 星 Kpc30 主序重迭，天琴 RR 球状星团 Kpc300 造父变星、新星 邻近星系 Mpc

2、10 星系亮度 遥远星系 1 . 0z 超新星 遥远星系 1z 星系红移 遥远星系 宇宙学距离 光谱型 不同光谱型的恒星特征 O型：HeII的吸收线（或者发射线）是主要 的。连续谱峰值在紫外，对应温度大于 25000K，恒星呈蓝白色。 B型：HeI线为主。出现HI线，并逐步变强。 恒星呈蓝白色，对应连续谱温度为10000- 25000K。 A型：HI线强度达到最大值，并逐渐减弱。 恒星呈白色，对应连续谱温度为7500- 10000K。 不同光谱型的恒星特征 F型：CaII线为主，出现中性金属线。恒星呈黄 白色，对应连续谱温度为6000-7500K。 G型：CaII线达到最大值，中性金属线（如F

3、eI 、TiI）变强。连续谱峰值移入可见光范围，对 应温度为5000-6000K，恒星呈黄色。 K型：中性金属线为主，逐步出现简单分子谱 线。对应连续谱温度为3500-5000K，恒星呈橙 色。 M型：几乎只有中性金属线和分子谱带，特别 是TiO的吸收线迅速变强。对应连续谱温度小 于3500K，恒星呈红色。 射电脉冲星与中子星 1，中子的发现和中子星的预言 2，贝尔和休伊什发现脉冲星 3，“ 小绿人”和地外文明 4，脉冲星就是中子星 5，中子星形成理论 6，休伊什获1974年诺贝尔奖 7，引力波的预言 8，射电脉冲双星的发现 9，引力辐射的验证 10，毫秒脉冲星的发现 脉冲星三大发现 1967

4、年贝尔和休伊什发现 脉冲星 1974年赫尔斯和泰勒发现 脉冲星双星系统 1982年贝克和库尔卡尼发现 毫秒脉冲星 1，中子的发现和，中子的发现和 中子星的预言中子星的预言 中子的发现中子的发现 直到1930年，物理学家还不知道原子核中 有中子存在。 中子发现的意义远远超出原子物理学的范 围，很快就向天体物理学提出挑战：在宇宙 中有没有“ 完全由中子组成的恒星？”一个 在物理学实验室中微观世界实验的进展，马 上向宏观世界的恒星世界提出挑战。 中子星的预言中子星的预言： 1932年，发现中子后就预言 中子星的存在； 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 196

5、7年，指出蟹状星云中有一颗 自转的磁中子星 中子星的光度特别小中子星的光度特别小 光度是和恒星的表面积成正比，天狼 星伴星的表面积比天狼星小1万倍，半 径约为7000千米。中子星的半径10千米， 光度小多少？ 答案是几十亿倍。 中子星在哪里呢？中子星在哪里呢？ 天文学家处于一问三不知的窘境，一 是不知道中子星的辐射主要在射电波段； 二是不知道中子星的辐射是脉冲形式； 三是不知道中子星自转得是如此之快。 这不是天文学家的过错，天文学研究的 魅力所在，就是它常常出人意料。 1054超新星遗迹超新星遗迹 -蟹状星云蟹状星云(Crab) 及其脉冲星及其脉冲星(PSR0531) 蟹状星云能源之谜蟹状星云

6、能源之谜 蟹状星云：射电、光学、X和射线辐 射。把蟹状星云所有频率上的辐射加起 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？ 光学观测发现蟹状星云在膨胀，每年大 约0.2角秒左右，而且膨胀速度在加快。星 云膨胀加速度的能量由谁来提供？同步辐 射：高能带电粒子磁场，高能电子来自 何方？磁场是怎样形成的？ 脉冲星 帕齐尼预言帕齐尼预言 （1967年发现脉冲星之前）年发现脉冲星之前） 蟹状星云中的一颗中子星，每秒 自转多次，具有很强的磁场，提供 蟹状星云所需的能量。 休伊什观测蟹状星云休伊什观测蟹状星云 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，其角 径只有约

7、0.2角秒，亮温度达到1014K。 当时他就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。 2，贝尔和休伊什，贝尔和休伊什 发现脉冲星发现脉冲星 休伊什 英国天文学 家 发现脉冲星 证认为中子 星 获1974年 诺贝尔奖 贝尔和休伊什 发现脉冲星 休伊什生平休伊什生平 休伊什1924年5月11日出生，中学毕业 后进了剑桥大学，学了一年参军。战争期 间，他参与机载反雷达设备的研究，指导 空军人员使用雷达干扰设备。 1946年第二次世界大战结束后休伊什回 到剑桥继续学习，1948年毕业后被推荐进 入卡文迪什实验室工作。1952年获博士学 位后，

8、在卡文迪什实验室成为赖尔的助手。 乔丝林乔丝林贝尔贝尔 乔丝林贝尔小姐是休伊什的博士 生，当时24岁。 贝尔在英国格拉斯哥大学获物理学 学士以后就想攻读天文学博士学位。 她首选的是焦德尔班克天文台，可是 由于工作人员把她的申请丢失，她才 到了剑桥大学。 休伊什在国际学术会议上 行星际闪烁研究行星际闪烁研究 星星为什么向我们眨眼？地球大气对流 层中空气密度的不规则变化和扰动对光波 的影响。 地球的电离层对无线电波的作用也会产 生闪烁。太阳系行星际空间充满着由太阳 风所带来的密度不均匀的等离子体，它们 也会使射电波发生闪烁。 行星际闪烁的特点行星际闪烁的特点 行星际介质对射电波所产生的闪烁 现象是

9、快速的，在秒的数量级。只有 角径很小的射电源通过行星际空间才 有闪烁现象。 类星体类星体 1963年，20世纪60年代四大发现之 一。它们具有像恒星那样小的角径 （小于1角秒），但不是恒星。有很 大的红移，类星体是迄今为止天文学 家所知道的距离最遥远、能量最大的 天体。 剑桥大学的闪烁望远镜剑桥大学的闪烁望远镜 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：长470米宽45米宽的矩形天线 阵，由16排，每排128个振子天线共2048个 振子组成。固定不动。 3.7米的波长： 闪烁比较强； 望远镜造价低，制造容易。 时间分辨率达到0

10、.1秒。 繁重的观测和资料处理任务繁重的观测和资料处理任务 贝尔负责观测，每周重复巡视一次， 每天记录纸有七八米。6个月的观测取 得5.6千米的记录纸的原始资料。区分 闪烁源和干扰成为每天必做的工作。 在观测程序上，每隔一周重复观测一 次，这样才能把干扰识别出来。 贝尔发现不寻常贝尔发现不寻常“ 闪烁源闪烁源” 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。 5. 射电脉冲星 (radio pulsars) (1) 发现 1967年剑桥大学穆拉

11、德射电天文台研究生Jocelyn Bell 利 用A. Hewish领导研制的射电望远镜发现了第一颗射电脉 冲星PSR 1919+21， 脉冲周期P1.3373 sec。 1976年8月6日发现脉冲星的纪录 确认是来自太阳系外 的信号 对这个信号的监测发现，它遵 守恒星时，而不是太阳时。 太阳日 太陽回到相對於地面同一位置便是 一天，例如由中午至另一個中午。 恆星日 恒星返回天空同一位置為一恆星日。 由於地球公轉的關係，一個太陽日比 一個恆星日约长4分钟。一年中約有 365個太陽日，366個恆星日。 太阳日和恒星日的区别 贝尔再立功贝尔再立功 她又从过去多达5000米记录纸所记 录下的资料中，

12、又找到3个脉冲星。 其中一颗名叫PSR095008的脉冲周 期仅0.25秒。作为脉冲星的最先发现 者，贝尔的功绩是不可磨灭的。 确认发现脉冲星确认发现脉冲星 休伊什利用精确的时标，在改正地球轨 道运动的影响之后，惊讶地发现脉冲周期 可以精确到千万分之一秒。测出的周期是 1.3372795秒。 终于确认脉冲信号是来自一种新型的天 体脉冲星的辐射。当时取名为CP1919， CP为剑桥大学，1919是脉冲星的赤经。 3，“ 小绿人小绿人” 和地外文明和地外文明 “ 小绿人小绿人” 11月28日，贝尔成功地记录到这个信号 的脉冲周期约为1.33秒。任何已知天体的 辐射都不会是这样的短周期脉冲。这个脉

13、冲信号强弱变化，很像电报。 休伊什提出可能是在太阳系外围绕恒星 作轨道运动的行星上的“ 小绿人”发出的信 号。曾给新发现的脉冲星取名为： 小绿人1、2、3、4号 贝尔女士在回顾脉冲星贝尔女士在回顾脉冲星 的发现时说的发现时说： “ 当我在搞一项新技术以取 得博士学位，可一帮傻呼呼的 小绿人却选择了我的天线和我 的频率来同我们通讯” 检验检验 如果是来自太阳系外行星上的人为 信号，这个脉冲信号中必然附加了行 星轨道运动所产生的多普勒位移。他 们经过一系列的实验，没有测出这种 位移，从而否定了小绿人的看法。 地外文明是严肃的科学问题地外文明是严肃的科学问题 地外文明是人们长期 以来津津乐道 的话题

14、，大量的有关外星人的科幻电 影和小说，把地外文明炒得沸沸扬扬。 地球之外是否有生命？是一个严肃 的科学问题、哲学问题，一个需要思 考和探索的问题。 地外文明社会知多少？地外文明社会知多少？ 太阳系的地球是生命的摇篮，在宇 宙空间有多少像太阳一样的单个恒星 的行星系统？有多少像地球一样，有 水，空气和适当的温度的行星？ 天文学家曾给出多个可能存在的文 明社会的数学公式。 阿西莫夫计算结果阿西莫夫计算结果 银河系中拥有文明社会的 数目为53万个 平均100万个恒星中不到 2个 阿西莫夫公式阿西莫夫公式 N=ABCDEFGHLM N：可能存在的文明社会的数目 A：银河系中的恒星数 A31011个 B

15、：拥有行星系统的恒星百分比 C：和太阳差不多的恒星百分比 D：适合生物生存条件的恒星的百分比 E：有类似地球的行星的百分比 L：可居住的天体中具有46亿年的历史 M：文明社会的寿命 星际有机分子的存在星际有机分子的存在 天文发现星际空间存在大量的有机 分子，如氢、氧、碳、氮、硫、硅等。 前4种元素是组成生命单元的细胞的蛋 白质和DNA的最基本的元素。 DNA是细胞核中的一种复杂的分子， 储存了生命个体过程的信息。发生着 孕育生命进化的过程。 关于飞碟关于飞碟 飞碟是人们发现的一些在空中飞行的形似 碟子一样的不明飞行物。 人们坚信，在宇宙中，一定会有类似人的 或更高级的生物。 既然地球人能发射飞

16、行探测器去探索其他 星球，为什么别的星球上的宇宙人就不能向 我们地球发射飞船呢？ UFO UFO全称为不明飞行物，也称飞碟（ unidentified flying object，简称UFO）是 指不明来历、不明空间、不明结构、不 明性质，但又漂浮、飞行在空中的物体 。 民意测验民意测验 1977年美国曾进行民意测验，约一 千五百万人说，他们看到过飞碟。 查明许多不明飞行物为气象气球、 陨星、及某些气象现象。有些飞碟现 象是由空气电离后放电造成的。 还有一些飞碟现象还没有一个理想 的解释。 飞碟是外星人乘坐的飞船吗？飞碟是外星人乘坐的飞船吗？ 最近的恒星的行星如果有智能生物，要 到地球来拜访，

17、飞碟的速度能接近光速吗？ 即使如此，也要经过4.3100年才能到达。 天文学家探测过太阳系中的行星和近处 的恒星（100PC）没有发现那里有文明社会 存在。 外星人到过地球吗？外星人到过地球吗？ 不少报道说，有人看见了乘飞碟来地球 的外星人。却总是躲着藏着，不愿和人类 打交道。 如果飞碟真是外星人乘坐的飞船，其科 技水平远远超过我们地球社会，比我们 强得多，不会怕我们。来地球的首要目的 应该是和人类交流，不可能总是回避和人 类见面、交谈？ UFO与可能存在的地外文明无关 20世纪60、70年代美国的一个专门调查小组 提交了一份总结报告，证明在12000例UFO 事件中，没有一例能被证明是与“外

18、星人” 有关的现象； 英国的有关部门曾对1631件 UFO案例进行调查，其中能证明与飞机有关 的750件，与人造卫星或其它习行器碎片有 关的203件，与气球有关的108件，与行星等 已知天体有关的170件，是大气现象或其它 现象的121件， 其余的是少数证据不足、无 法落实的或待进一步查明的案例。 射电天文的发展使我们有 可能检测和接收“ 外星人” 发来的电讯。人们企图检测 到外星人发来的电报的愿望 更加迫切了。 星际通讯 搜寻外星人拍来的电波信号 1960年开始搜寻地外文明的奥兹玛计划。 使用美国国立射电天文台的25米的射电望 远镜，在21厘米波段，对两颗最可能存在 智能生物的恒星系统作了监

19、测，没有检测 到外星人发来的信号。 进一步的实验 第二期奥兹玛计划，对660颗较近的类太 阳恒星进行监测，也没有得到结果。 改用阿雷西博直径为305米的射电望远镜。 它能接受到距离我们几百光年到3万光年的 无线电信号。对100光年以内的800-1000颗 类太阳恒星进行监测，结果还是一无所获。 4，脉冲星就是，脉冲星就是 中子星中子星 脉冲星的观测特性 脉动的射电辐射而得名。周期很短 1.5毫秒8.5秒， 十分稳定，可以和地 球上的原子钟比美。 脉冲星周期随时间十分缓慢地增加， 变化率非常之小： 秒/秒 2013 1010 周期缓慢的变化 周期变化最快的脉冲星需要经过10 年的时间，其周期才增

20、加1毫秒。变化 最慢的脉冲星则需要年才增加1毫秒。 除了脉冲星周期缓慢增加的变化外， 还有周期噪音和周期突然变短两种形 式的变化。 脉冲星的周期是怎么来的？ 脉冲星的周期为什么这么短？这么稳 定？还要缓慢地变长？ 天文上周期性现象是常见的，但都没 有这样短。三种可能性，来自白矮星或 中子星的： 1，双星的轨道运动周期 2，径向脉动周期 3，自转 确认为快速自转的中子星 前2种都不可能，因为不能解释周期 缓慢地增加的现象。 中子星的自转可能到达这样短的周 期，而白矮星则只能达到秒的数量级。 但是，为什么辐射是周期性的脉冲？ 仍待解决。 自转中子星 在赤道上的线速度不能太大，如果 离心力大于引力，

21、赤道上的物质就要 脱离这个天体而导致崩溃。 白矮星的半径比中子星约大600倍， 因此所能达到的自转角速度要比中子 星的小很多。所以只有中子星的自转 能解释观测到的脉冲星周期现象。 脉冲星是高速自转的磁中子星脉冲星是高速自转的磁中子星 1968年2月，自然期刊论文： 脉冲星是一种极为奇异的天体射电源， 它在太阳系之外，发射短暂而极有规律 的无线电脉冲；它是某种密度非常大的 星体，很可能就是中子星。 休伊什根据中子星径向振荡理论来解 释辐射的脉冲性质却是不正确的。 中子星(脉冲星)性质概要 质量 (0.2-2.5)Msun 半径 (10-20) km 自转周期 P 1.5 ms 8s (己发现的范

22、围) 表面磁场: 大多数脉冲星: 1010-1013 Gauss 磁星 (?) 1014-1015 Gauss 表面温度:105-106K 非脉冲(软)x射线热辐射 脉冲星同超新星遗迹成协(?) 发现10个 脉冲星的空间运动速度: 高速运动。 大多数: V (200 500)km/s ; 5个: V 1000km/s 中子星表面大气的标高与大气层厚度中子星表面大气的标高与大气层厚度 p = p0 exp-h/h0, h0 = kT/mg 表面重力加速度: g = GM/R2 1014 cm/s2 表面温度 T 106K, R 10 km M Msun =2 1033 克 对氢原子 mH=1.6

23、710-24 克 h0 1 cm 推论:中子星大气层厚度 10 cm 为什么中子星的辐射 是周期脉冲信号 自转周期可以达到毫秒秒，但辐 射和自转有什么关系？ 中子星有很强的偶极磁场，辐射只 能从磁极区出来，就像灯塔一样只射出 两束光。自转一次，脉冲星的辐射扫过 观测者一次，形成一个脉冲。 证认脉冲星是中子星的两位功臣证认脉冲星是中子星的两位功臣 帕齐尼在1967年脉冲星发现前的论文： “ 在蟹状星云中存在一个由中子组成的恒星， 它每秒自转多次，有很强的磁场，它的磁偶 极辐射不断地给蟹状星云提供能量”。 托马斯歌尔德1968年的论文和帕齐尼的 差不多，但是在脉冲星发现之后做的，对观 测特征解释得

24、更清楚一些。 灯塔 脉冲星磁极冠模型脉冲星磁极冠模型 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。 脉 冲 星 的 磁 层 光速园柱面光速园柱面 开放磁力线开放磁力线 辐射束辐射束 r=c/ B 封闭磁层封闭磁层 中子星中子星 M = 1.4 MSun R= 10 km B = 10 8 to 10 13 Gauss 脉冲星辐射原理图 5，中子星形成，中子星形成 理论理论 2

25、. 中子星的形成 中子星的形成三步曲中子星的形成三步曲 中学基础知识：原子核，衰变、 衰变、天然放射现象、同位素以及 核能等。这些知识有助于我们理解中 子星形成的机理。 衰变和逆衰变 衰变：一个孤立的中子衰变为一个 质子和一个电子及并发射一个反中微子 的过程。 逆衰变：一个接近光速的电子和一 个质子相碰便形成一个中子和一个中微 子。 第一步：中子化过程第一步：中子化过程 中子化过程：一个高能电子打入原子 核，和其中的质子相碰，产生逆衰 变反应。核反应后，核子数不变，少 了一个质子，多了一个中子，同时发 射一个中微子。这个元素变为另一种 元素。 中子化过程条件中子化过程条件 密度大于106克/厘

26、米3 时，核外电 子的能量大，可打进原子核，原子核 中的中子数越来越多，质子数越来越 少，形成了很多富中子核，这就是中 子化过程。 第二步：第二步： 自由中子发射过程自由中子发射过程 衰变：一个原子核放出由两个质子和两 个中子组成的氦核，原子核衰变为另一种 元素的过程。 自由中子发射：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 x1011克/厘米3。 第三步：第三步： 原子核破裂形成中子流体原子核破裂形成中子流体 当密度超过1014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

27、在着很少量的质子和电 子。 简并中子气简并中子气 中子星壳层以下的中子流体是简并的， 中子填满了所有的能量状态，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。由于中子流体的密度已超过 1014克/厘米3，致使简并中子气所形成的 压力远远超过简并电子气，成为可以抗衡 引起星体坍缩的引力，形成稳定的中子星。 中子星结构中子星结构 中子星的质量上限中子星的质量上限 坍缩后所形成的致密星的质量如果 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。 极端物理条件极端物理条件 超高密：每立方厘米约有一亿吨重； 超高温：几亿度以上； 超强磁场：10810

28、14高斯; 超强辐射；10251035尔格/秒; 超流、超导； 超强引力； 6，休伊什获，休伊什获1974 年诺贝尔奖和为年诺贝尔奖和为 贝尔说公道话贝尔说公道话 休伊什获休伊什获19741974年诺贝尔奖年诺贝尔奖 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。 因错因错”立功立功 帕尔默辩解说，“要不是我把她 的申请信丢了，那脉冲星到现在还 没有发现呢！ 乔斯林贝尔如果不是参与当时最 高水平的行星际闪烁的观测研究的 实践，也是无缘发现脉冲星的。 为乔丝琳为乔丝琳贝尔说公道

29、话贝尔说公道话 诺贝尔物理学奖只授予休伊什一人，完 全忽视了贝尔的贡献是不公正的。 曼彻斯特和J.泰勒在专著“ 脉冲星”的第 一页写道： 献给乔丝琳贝尔博士，没有她有洞察力 的、百折不挠的努力，我们现在可能无法分 享到研究脉冲星的这份快乐。 国际天文学会脉冲星会议国际天文学会脉冲星会议 为乔丝琳为乔丝琳贝尔正名贝尔正名 在论文集的第一页发表乔丝琳贝尔 博士和休伊什教授在会议期间的合影， 并冠以“ 脉冲星发现者乔丝琳贝尔 博士和休伊什教授的再次会见”的文字 说明。 在1980年 国际天文学会 脉冲星会议上 贝尔和休伊什 同被誉为 “ 脉冲星 发现者” 7，引力波的预言，引力波的预言 爱因斯坦广义

30、相对论的爱因斯坦广义相对论的 三大预言：三大预言： 1，光线在太阳引力场中的弯曲； 2，水星近日点的运动规律； 3，引力场中的光谱红移现象。 这三个预言都先后得到了证实。 广义相对论的又一预言 引力辐射引力辐射 任何具有质量的物体作加速运动都应 该产生引力辐射。 在地球上不可能作实验：质量太小 科学家寄希望于探测来自宇宙空间 的引力辐射。 经历半个世纪也没有得到实验的验证。 辐射引力波源：辐射引力波源： 1，超新星爆发、致密天体形成的突 发事件引发的引力波，其特点是强度 大、频带宽，但时间短暂。 2，各种双星、具有较大椭率的转动星 可以发射引力波，引力波的频率稳定， 但强度小； 3，无规背景辐

31、射的引力波； 引力波探测器：引力波探测器： 引力波的作用是使物体发生扭曲和 变形，因此所有引力波天线常常是一 根棒，借助测量这个天线极小的扭曲 和变形来确定是否接收到引力波。 8，射电脉冲双星，射电脉冲双星 的发现的发现 泰勒 美国天 文学家 赫尔斯 美国天 文学家 发现脉冲双星 共获1993年 诺贝尔物理学奖 J.J.泰勒泰勒 在1967年发现脉冲星的时候，还是 一位博士研究生。1968年获得博士学 位后，和哈佛大学的同事合作，继贝 尔发现4颗脉冲星之后发现第五颗射 电脉冲星。他的名言： “ 有可能产生重大意义的研究， 再困难也得试一试”。 J.泰勒在北大天文系做报告 1973年J.泰勒教授

32、新的 巡天观测计划： 发现短周期、远距离的脉 冲星。 赫尔斯 1973年在麻省大学学习的赫尔斯是 J.泰勒教授的研究生。他选择泰勒的 脉冲星巡天课题作为博士论文。 他认为，这个课题体现了射电天文 学、物理学和电子计算机科学三个学 科完美的结合。 脉冲星观测发现较多的脉冲星观测发现较多的 射电望远镜：射电望远镜： 1，澳大利亚Parkes的直径64米直径射电 望远镜占第一位，发现一半以上； 2，Arecibo射电望远镜发现100颗左右； 3，英国焦德尔班克的76米直径射电望远 镜发现大约100；， 4，美国格林班克的直径92米射电望远镜 发现近100个； 澳大利亚Parkes64米射电望远镜 美

33、国Arecibo 305米射电望远镜 英国 Jodrell Bank 76米射电 望远镜 在星际介质中不同频率在星际介质中不同频率 的无线电波的传播速度不同的无线电波的传播速度不同 脉冲星发出的同一个脉冲到达射电 望远镜时，高频和低频成分有时间差， 导致接收到的脉冲变宽了，脉冲能量 分散，脉冲轮廓变形，甚至会将脉冲 平滑掉。 消色散接收机 消色散的办法是把接收机总通频带 分成许多窄带，每一个窄带的带宽小 于可允许的带宽上限。计算出各窄带 之间的相对时间差，消色散就是把各 个频率通道的结果补偿各自对第一个 通道的时间延迟后再加起来。 赫尔斯旗开得胜 赫尔斯独自观测和处理资料，发现 40颗新脉冲星

34、，可以说取得了空前的 好成果。这次巡天的成功率比以前的 高出4倍。在当时脉冲星仅有100颗的 情况下，一下子增加了40颗，对脉冲 星的观测研究有巨大的促进。 赫尔斯说赫尔斯说： “ 我们的巡天发现了40颗脉冲星， 其中一颗调皮捣蛋，它的周期老 变，弄得我寝食不安。” 这就是人类发现的第一个脉冲 双星。 发现“ 怪星” 有一个周期仅0.059秒的脉冲星 PSR191316很怪癖。这颗星的周 期只有59毫秒，但两次时隔仅两天 的观测，周期值的差别竟达27微秒 之多。 赫尔斯以为是设备出了问题，或 观测程序或处理方法有错。但怎么 查也找不到毛病。 原来是双星 周期测不准的原因是这颗脉冲星是 在双星系

35、统中。轨道周期很短，所以 短期中对测量到脉冲星周期产生周期 性影响。后来赫尔斯悟出了这个原因。 测出了双星的轨道周期。 好运气！ 现在至少已发现50颗射电脉冲双星。 其中只有5个双中子星系统。然而，第 一个发现的就是双中子星系统。其轨 道椭率很大，是用来检验引力辐射的 最好的实验室。 好运气只能属于在脉冲星巡天观测中 辛勤耕耘并决心攀登科学高峰的人们。 9，引力辐射的，引力辐射的 验证验证 理想的引力实验室 在天文学中，双星系统很平常，已 知的恒星有近一半属于双星系统，可 谓千千万万。既使对中子星来说，所 有伴有X射线辐射的中子星都是双星 系统的成员，也司空见惯。但是在射 电脉冲星的世界里却比

36、较少见。 困难和成功 第一个难点是，理论计算的轨道周 期的变化非常微小，要求观测测量极 端的精密。 第二个难点是，为了发现轨道周期 的变化必须要进行长期的观测。 J.泰勒教授奋斗了近20年。用世界 上最大的射电望远镜进行上千次的观 测，观测值和理论预期值的误差仅为 0.4。终于证实了引力波的存在。 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。 脉冲星 PSR191316 轨道周期变化 和理论计算值 的比较。 符合得非常 好！ 特殊的引力

37、实验室 这个特殊的脉冲双星系统的重要性在于 它是双中子星系统，两颗子星间没有物质 交流。它的轨道周期很短，仅7.75小时， 两颗子星相距很近，轨道椭率很大，达到 0.617。导致脉冲星具有非常高的轨道运动 速度，可达光速的十分之一。根据广义相 对论理论推算出这个双星轨道周期的变化 率为 秒/秒。 12 106 . 2 赫尔斯和泰勒获 1993年诺贝尔物理 学奖 1993年赫尔斯和泰勒因发现射电脉 冲双星共同获得该年度诺贝尔物理学 奖，引起了全世界的轰动。 他们发现的脉冲双星系统成为验证 引力辐射存在的空间实验室。经过近 20年坚持不懈的努力，以无可争辩的 观测事实，证实了引力波的存在，开 辟了引力波天文学的新领域。 1010，毫秒脉冲星，毫秒脉冲星 的发现的发现 毫秒脉冲星 1982年贝克教授和库尔卡 尼博士发现的毫秒脉冲星 PSR1937+214再一次轰动 了全世界。 艰难的发现过程 毫秒脉冲星的发现是天文学家有计 划、有目标的观测研究结果。有好几 个课题组，经历了好几年，从失败到 成功。 休伊什教授未获成功 脉冲星的发现者