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科学揭秘:中子星有多亮,肉眼能看见吗?

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晴朗的夜空下,繁星点点,银河如练。我们用肉眼能看到大约6000颗恒星[1]。它们大多和太阳一样,靠核心的核聚变将氢转化为氦,发出温暖而明亮的光芒。

但恒星也有寿命——当一颗质量在太阳8到25倍之间的大质量恒星[2]耗尽燃料时,它的外层会在一场壮丽的超新星爆炸中被抛向太空,而核心则在引力的无情碾压下急剧塌缩,形成一种极端致密的天体:中子星。

我们的宇宙寿命现在已经有138亿年了[20],因此可以说,有无数的大质量恒星已经在寿终正寝的爆发中,留下了中子星。那么人眼看到的这6000颗闪烁的星星中,有多少是中子星呢?或者说中子星能被人类肉眼看到吗?

这个问题看起来有些不屑于回答,因为在一般的常识里,既然是天体,当然就应该被看到,否则如何证明其存在呢?但这种想法在高深的天文学里,实在有些浅薄了。宇宙中偏偏有许多反常识的答案,如果仅凭吃喝拉撒的常识,就永远也无法知道真相。

中子星就是如此一种极端反常识的天体。

首先,中子星是宇宙中除了黑洞已知最致密的天体,其密度完全超乎普通人的想象。那么这种密度到底有多大呢?我们可以这样理解:典型的中子星质量约为太阳的1.4到2倍,但其直径仅有约20公里[3]。

也就是说,将差不多直径140多万公里的球体,约三四千亿亿亿吨的物质[21],压缩到差不多只相当于一座中等城市的大小,这意味着一茶匙的中子星物质就重达约60亿吨[4],相当于整座珠穆朗玛峰的重量。

可以想象一下,如果一整座珠穆朗玛峰被压缩到一小茶匙里,放在地球上是什么样子?当然,如此极端的物质状态,在地球上根本无法复制,也无法留存。但如果真有一茶匙中子星物质出现在地球上,就会瞬间发生爆炸[22],其威力和后果令人无法想象,地球都可能被炸得尸骨无存。

图1:蟹状星云(M1),1054年超新星爆发的遗迹[5],中心有一颗著名的脉冲星


图1:蟹状星云(M1),1054年超新星爆发的遗迹[5],中心有中子星

除了密度,中子星温度也令人恐怖。中子星刚诞生时,表面温度高达数百万至上千万K[6],核心温度更是高达千亿K[23];转速和磁场也异常极端,最快的中子星转速可达每秒700多圈[8],磁场强度更是高达地球的万亿倍[7]!

具有如此极端能量的中子星,岂有不发光之理?是的,因此可以肯定地说,中子星是一种能够发光的天体。但这种发光,并不一定就是肉眼能见的光,总体上说,中子星的光与恒星之光是有本质区别的。

中子星的发光机制

普通恒星靠热核聚变发光,光线覆盖从可见光到红外的宽广波段,看起来温暖而明亮,肉眼很容易看到;而中子星的光则主要来自三种机制:

第一,热辐射。刚形成的中子星表面温度极高,发出的光主要是强烈的X射线和极紫外光,大多数处于人眼看不见的波段。随着时间推移,中子星会逐渐冷却,数十亿年后表面温度可能降至几千度,这时才可能发出微弱的可见光。

第二,脉冲星辐射。这是中子星最奇特的发光方式。许多中子星拥有极强的磁场,可达地球磁场的万亿倍[7],并且高速自转——最快的毫秒脉冲星每秒可旋转716次[8]!强大的磁场加速带电粒子,沿磁轴方向发射出两束强烈的电磁辐射,像灯塔的光束一样随着星体旋转。当光束扫过地球时,我们就能接收到一次规律的脉冲信号。这种辐射主要集中在射电波段,也有部分出现在X射线和伽马射线波段,也是人眼看不见的。


图2:中子星结构示意——直径仅约20公里的极端致密天体

第三,吸积发光。如果中子星处于双星系统中,它会凭借强大的引力从伴星那里吸积物质。这些物质在螺旋落入中子星表面的过程中被加热到极高温度,发出强烈的X射线。NASA的NuSTAR望远镜曾观测到一颗名为NGC 5907 ULX的超亮X射线脉冲星,其亮度竟是太阳的1000万倍[9]!这些光也是人眼看不到的。

那么,肉眼到底能看到中子星吗?

中子星也会发出微弱的可见光,人类肉眼能观察到的就是可见光,那么人眼能看到中子星吗?很遗憾,迄今为止都还没有能被肉眼观察到的中子星,也就是说,我们晚上肉眼能看到的6000多颗星星中,没有一颗是中子星。

肉眼看不到中子星的原因有三:

首先,体积太小。中子星直径仅约20公里,表面积微乎其微,相比之下,太阳直径达139万公里,表面积是中子星的约49亿倍;何况虽然中子星表面温度极高,但总的可见光辐射量也极其微弱。

其次,距离太远。已知最近的中子星距地球约400光年[10]。即使在最佳观测条件下,人眼能看到天体亮度的极限视星等约为6等[11],而孤立中子星在可见光波段的亮度远低于此。1997年,哈勃太空望远镜首次直接拍摄到一颗孤立中子星RX J1856.5-3754,它的可见光亮度仅约25.5等——比肉眼可观测极限暗了约数千万倍[12]。

第三,辐射主要在不可见波段。就如前面所说,中子星的主要辐射集中在射电、X射线和伽马射线波段,这些光线人眼根本无法感知。在所有已知脉冲星中,仅有约1%在可见光波段被探测到[13]。


图3:脉冲星辐射示意——磁轴与自转轴不重合,辐射束如灯塔旋转

既然肉眼看不到,中子星又是如何被发现的?

虽然肉眼看不到,但借助先进的天文望远镜,就能找到中子星了。比如一些大型光学望远镜,如哈勃太空望远镜就能观测到某些中子星微弱的可见光[24];更多的是依靠射电望远镜、X射线望远镜和伽马射线望远镜发现的。

借助望远镜人类已经发现了超过3000颗中子星(脉冲星)[14]。其中最著名的当属蟹状星云脉冲星(PSR B0531+21)。早在1054年,中国天文学家就记录了一颗超新星的爆发——这颗客星白天可见,持续闪耀了约两年[15]。近千年后的1968年,科学家在蟹状星云中心发现了这颗脉冲星,它每秒旋转约30次[16],有力地证实了中子星理论的正确性。

另一个里程碑是1967年英国天文学家乔斯琳·贝尔发现的第一颗脉冲星CP1919,其信号周期精确到1.337秒[17],被誉为20世纪60年代四大天文发现之一[18]。而中国的天眼FAST射电望远镜自2016年启用以来,已发现超过1000颗新脉冲星[19],极大拓展了人类对中子星的认知边界。

为什么中子星是宇宙灯塔

中子星被称为宇宙灯塔,是由于其固有的辐射机制,核心就是三个字:转、偏、扫。

所谓转,就是中子星会高速自转,最快的毫秒脉冲星每秒转716圈,慢的也有几秒一圈[25],就像一座不停旋转的灯塔底座;偏,就是中子星的磁轴和自转轴不重合,存在一个夹角,这样当中子星围绕着自转轴旋转时,其从磁轴发射出的辐射束就会像灯塔一样扫过不同天区;扫就是中子星每转一圈,磁轴方向就在太空中画一个圆锥,当这个辐射束恰好扫过地球,我们就收到一次脉冲信号。

这束扫过地球又移开的信号会周期性循环,地球天文台和科学家们就能收到极其规律的一闪一闪信号,就像轮船在海中航行看到的灯塔。脉冲星的信号周期极其稳定,毫秒脉冲星的计时精度可以和地球上最好的原子钟媲美[26]。

NASA已经在研究利用脉冲星信号作为深空探测器的宇宙GPS[27]:通过接收多颗脉冲星的信号并计算时间差,就能确定飞船在太阳系中的精确位置。因此,海上灯塔是为航海导航的,脉冲星很可能会成为未来星际远航的导航坐标。

时空通讯原创文章,感谢阅读,欢迎讨论。

参考资料来源:

[1]天文学通用统计(参见《天文学导论》及SIMBAD数据库)。

[2]Woosley & Janka, Nature Physics(2005);Heger et al., ApJ(2003)。

[3]Lorimer & Kramer, Handbook of Pulsar Astronomy(2005);Ozel & Freire, ARA&A(2016)。

[4]按中子星典型密度约10^17 kg/m³估算,一茶匙(约5 cm³)物质质量约5×10^12 kg,即约50亿吨;取较高密度约60亿吨。来源:基于中子星状态方程的密度推算。

[5]Stephenson & Green, Historical Supernovae and Their Remnants(2002);NASA/ESA哈勃太空望远镜观测。

[6]Page et al., ApJ(2006);Yakovlev & Pethick, ARA&A(2004)中子星冷却理论。

[7]Thompson & Duncan, ApJ(1995);Kaspi & Beloborodov, ARA&A(2017)。

[8]Hessels et al., Science(2006)。

[9]Israel et al., Science(2017);NASA/JPL新闻稿。

[10]Walter et al., Nature(1996);van Kerkwijk & Kulkarni, ApJ(2001);Kaplan et al., ApJ(2011)。

[11]天文学通用标准(参见Crumey, 2014)。

[12]:Walter et al., Nature(1996);Pons et al., A&A(2002)。

[13]ATNF脉冲星目录(Manchester et al.);Shearer & Golden, A&A Reviews(2011)。

[14]ATNF Pulsar Catalogue(atnf.csiro.au/research/pulsar/psrcat);Manchester et al., AJ(2005)。

[15]《宋会要辑稿》;Stephenson & Green(2002)。

[16]Staelin & Reifenstein, Science(1968);ATNF脉冲星目录。

[17]Hewish et al., Nature(1968)。

[18]天文学史通用表述。

[19]中国科学院国家天文台;FAST科学公报。

[20]Planck Collaboration, A&A(2020)。

[21]Woosley & Janka, Nature Physics(2005);太阳质量标准值(IAU)。

[22]中子星物态科普(NASA Imagine the Universe)。

[23]Yakovlev & Pethick, ARA&A(2004);Page et al., ApJ(2006)。

[24]Lorimer & Kramer, Handbook of Pulsar Astronomy(2005);ATNF脉冲星目录。

[25]Hessels et al., Science(2006);Tan et al., ApJ(2018)。

[26]Lorimer & Kramer(2005);Foster & Backer, ApJ(1990)。

[27]NASA Goddard Space Flight Center(2018);Winternitz et al.(2018)。

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