中国天眼FAST,这一堪称世界科技奇迹的设施,自投入使用以来,不断为人类探索宇宙的奥秘贡献着力量。短短几年间,它已经成功发现了超过740颗脉冲星,这样的成绩令世界为之瞩目。
而脉冲星的发现,与一种极为特殊的天体--中子星密切相关。
要深入了解中子星,我们需要先回溯恒星的演化历程。恒星从诞生伊始,便开始进行核聚变反应,通过消耗幼年阶段积累的氢和氦等元素来产生能量。
在极端的高温和高压环境下,这些元素逐渐聚合成更重的元素。然而,随着聚变反应的持续进行,所需要的压力和温度不断攀升,反应的难度也日益增大。
当聚变过程中因质量损失导致恒星无法维持超高压力时,恒星便来到了演化的关键节点。恒星的质量在其演化过程中起着决定性的作用。质量小于太阳8倍的恒星,在步入老年阶段后会演变成红巨星,最终收缩成为不再发热的白矮星。
而质量在太阳10到29倍之间的恒星,在中老年时期会变为红巨星,之后会经历一场剧烈的超新星爆发。当超新星爆发结束后,留下的残骸就有可能是中子星。
在特定条件下,中子星还能够进一步转化为脉冲星。倘若恒星的质量超过太阳的30倍,那么其演化过程与中子星类似,但最终的结局是形成神秘莫测的黑洞。1967年,天文学界发生了一件具有里程碑意义的事件。当时,还是博士生的乔斯林·贝尔在进行实验时,观测到了一种规律的脉冲电波。
最初,这一信号甚至被误认为是来自外星人的信息。经过她的导师休伊什的深入研究,人们才发现这些信号实际上来自一种能够辐射脉冲波的天体,也就是后来被人们所熟知的脉冲星。
这一发现,验证了苏联天文学家朗道在1932年的一个预言。当年,查得维科发现了中子,这引起了朗道的浓厚兴趣。
他推测,如果恒星的质量足够大,其强大的引力将会迫使电子和质子结合形成中子,从而有可能形成中子星。
中子星具有众多独特的特性。其一,中子星的密度令人难以置信。
每立方厘米的质量至少达到一亿吨,这相当于把整个珠穆朗玛峰的质量压缩到一勺子的体积之中。这种极端的密度源自其中子的构成。
在恒星生命的末期,核聚变反应逐渐停止,恒星失去了支撑自身重力的能量。对于质量较大的恒星,在经历超新星爆发后,其核心残骸就有机会形成中子星。
其二,中子星的自转速度快得惊人。通常情况下,中子星每秒可以自转数百至数千转。这是因为在恒星发生超新星爆发时,角动量守恒使得剩余的核心残骸能够以极高的速度旋转。
其三,中子星的磁场强度极为强大,达到了数千亿高斯,远远超过了地球磁场的强度。
其四,中子星的逃逸速度极高。物体若要摆脱中子星的引力束缚,需要达到每秒10至15万千米的速度,这一速度接近光速的一半,可见其引力之强大。
其五,中子星的温度并不稳定。有些中子星的表面温度高达数百万开尔文,而有些则仅有几百度在中国天眼FAST的探索旅程中,脉冲星的发现具有极其重要的意义。脉冲星作为中子星的一种特殊类型,能够周期性地发出脉冲辐射。
在宇宙中,它们扮演着至关重要的角色。例如,在宇宙导航中,脉冲星的辐射就如同多维坐标系中的指示轴,能够帮助天文学家精确地确定天体的位置。
同时,脉冲星还被视作宇宙中的精准时钟,其自转周期极为稳定,在天文学研究中具有无可替代的价值。除了上述内容,在天文学的研究中,还有一些与中子星相关的重要发现。天关客星就是其中一颗在中外天文学界都具有重要影响力的"明星"。
在中国古代,天文学家将超新星称为"客星"。北宋时期,天文学家杨惟德观测到天关星附近出现了一颗异常明亮的星星,其亮度在白天甚至可以与金星相媲美。
杨惟德将这一罕见的现象详细地记录了下来。这颗超新星在短暂地闪耀后便消失了,而西方天文学家在其遗迹中探测到了脉冲星的电波。
经过深入的研究和对比,宋代文献中关于"客星"的记载被证实与脉冲星发出的电波存在密切的关联。如今,那里只剩下了蟹状星云,这是超新星爆发后遗留下来的宇宙残骸,也成为了古今中外天文学家跨越时空进行交流的有力见证。
脉冲星与引力波之间也存在着紧密的联系。2017年10月17日,科学界迎来了一个具有重大意义的时刻--首次探测到了引力波。
这一成果是通过70多台大型天文望远镜共同观测"NGC4993"星系中两个中子星的合并过程而实现的。在对千新星事件进行联合观测的过程中,科学家们顺便探测到了引力波。
"NGC4993"星系距离地球约1.3亿光年,当这两个中子星发生碰撞时,地球还处于恐龙时代。这一发现不仅进一步证实了爱因斯坦的预言,也为人类理解宇宙的本质提供了全新的线索。PSR B1257+12是首个被发现拥有行星系统的脉冲星。1990年,波兰天文学家沃尔森首次观测到了这颗独特的脉冲星。
在此之前,天文学理论认为只有处于壮年期的恒星才有可能拥有行星,而PSR B1257+12的发现彻底打破了这一传统观念。科学家们经过分析认为,在超新星爆发时,行星会先被强大的力量"吹走",随后又会被引力"拉回"到新的轨道上继续公转,正是这样的过程使得行星得以在脉冲星周围保留下来。
此后,天文学家们在"PSR B1257+12"的发现基础上,又陆续找到了数个拥有行星系统的脉冲星,这为研究行星的形成和演化开辟了新的途径。
总之,中国天眼FAST的一系列发现让我们对宇宙的认识不断深化,而中子星以及与之相关的各种研究,也将继续为我们揭示更多宇宙的奥秘。