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1、 本科毕业设计（论文）( 2013届 ) 题 目： 脉冲星的辐射机制探讨 学 院： 数理与信息学院 专 业： 物理学 学生姓名： 学号： 09180120 指导教师： 职称： 讲师 合作导师： 职称： 完成时间： 2013 年 05 月 1 日 成 绩： 浙江师范大学本科毕业设计(论文)正文目 录摘要3英文摘要31 引言 32 脉冲星的特点和性质4-53 脉冲星的理论模型5-63.1 磁偶极模型和原理6-73.2 RS模型和原理7-84 脉冲星辐射机制探讨84.1 前人对脉冲星研究成果 8-104.2 本人的一些看法10-125 总结12-13参考文献14脉冲星的辐射机制探讨 摘要：本文主要介
2、绍有关脉冲星的特点和介绍，以及前人对脉冲星的研究成果。还介绍了研究脉冲星的一些模型和脉冲星的辐射机制，还有本人对脉冲星的若干看法。关键词：脉冲星；辐射；中子星；磁偶极；超新星Discussion On Radiation Machanism Of The PulsarXiaozhang chen Director：Shan long panAbstract：This paper mainly introduces the characteristics and introduction of the pulsar, previous research results of pulsar,. A
3、lso introduce the study of some model of the pulsar and the pulsar radiation mechanism,and I am a litille view of pusars. Key Words： pulsar；radiation；neutron star；magnetic dipole；supernova1 引言脉冲星是二十世纪六十年代天文学的四大发现之一。脉冲星是英国剑桥大学教授休伊什和他的学生贝尔在研究“行星际闪烁”的时候，用射电天文台偶然发现的。休伊什也因此获得了诺贝尔物理学奖。后来美国天文学家泰勒由于发现第一个脉冲双
4、星也获得了诺贝尔物理学奖。脉冲星是中子星中的一种，是一种能够周期性发射脉冲信号的天体。直径大多为20千米左右，自转极快。一开始，人们对此很困惑，甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说，第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。经过几位天文学家一年的努力，终于证实，脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且，正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。 由于研究脉冲星的意义非常重大，它能应用于时间的精确校正，飞船的导航等诸多应用。先前有很多学者和科学家对脉冲星展开了深入的研究。他们研究脉冲星的实际应用，以及脉冲星的辐射机制等内容。目前科学界对脉冲星的辐射机制并不是有确切的定论。科学家们提出来很多研究脉冲
5、星的辐射机制模型来研究脉冲星，这些模型各不相同，但都能研究脉冲星的辐射机制。当然每个模型都有各自的优缺点。主要有火球模型，磁偶极模型，灯塔模型等。由于本人只是水平有限，不能够很深入的研究脉冲星的辐射模型。我通过学习先前学者对脉冲星的辐射机制的研究，将他们的研究结果整理出来，并发表自己对脉冲星辐射机制的一些看法。2 脉冲星的特点和性质脉冲星，就是变星的一种。脉冲星是在1967年首次被发现的。当时，还是一名女研究生的贝尔，发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波。经过仔细分析，科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号，人们就把它命名为脉冲星。最早的时候人们发现有天体能够发现
6、电脉冲，在当时，这个结论引起巨大的轰动。但是，人们把这种天体认为是中子星，因此中子星也就最为一种假说而被提出来。但是，人们并没有在天文观测中发现过中子星，因此也就作为假说而被少数人所认可。后来人们认识到了，要能发出这样的强度和频率的信号的天体，一定是密度极大，质量极大，体积极小的天体才能够做到。这样中子星才由假说变成事实。脉冲星是特殊的中子星。科学家已经通过天文观测和理论研究认识到：脉冲是由于脉冲星告诉旋转而发出的。这个原理就像是海上的灯塔，我们在海上航行的时候，看见远处的灯塔一闪一闪的，灯塔每转一圈，我们就看见一次光。而把脉冲星的辐射原理看做是海上的灯塔发光的模型正是被大多数科学家所接受的“
7、灯塔模型”。然而灯塔的光只能从某个窗口射出来，是不是说脉冲星的光也是从某个窗口射出来的呢？根据灯塔模型，是这样子的。脉冲星就是中子星，中子星的发光和其他的天体不一样。太阳表面上到处发光，而中子星的发光区域是两个相对的小区域。这两个区域就像是灯塔的“窗口”，那么为什么中子星只有两个区域发光呢？原因是因为中子星的表面存在强大的磁场，这磁场把辐射封锁在一定区域，这使得中子星的辐射只能从两个磁极区辐射出来，其他区域看起来都是暗的。脉冲星是高速旋转的中子星，但是并不是所有的中子星都是脉冲星，当中子星的辐射束不扫过地球时，地球就接收不到脉冲，这时候中子星就不表现为脉冲星。作为一颗快速自转的中子星，脉冲星具
8、有许多非常独特的性质，这些性质使我们大开眼界。因为，它们都是在地球实验室中永远也无法达到的，从而使我们更加深入地认识到恒星的一些本质。概括起来说，这些性质是：（1）脉冲星无例外地都是很小的，小得出奇。它的典型直径只有10公里，也就是说，小小中子星的“腰围”只有30多公里，相当于一辆汽车以普通速度行驶1小时的距离。可是，就是这么颗小个子恒星，却有那么多的极端的物理条件，也真是够惊人的！（2）脉冲周期都非常之短，短到简直难以想象的程度。已观测到的最长的脉冲周期，只有43秒，最短的约2毫秒，即千分之二秒。换句话说，脉冲星的自转都特别快，从43秒转一圈到1秒钟转500圈！发射脉冲的持续时间大致是其周期
9、的110至1100。最近一些年来，发现了不少毫秒级的脉冲星，是否今后会发现脉冲周期更短的、或更长的脉冲星呢？现在还很难说。（3）密度大得惊人。密度一般用1立方厘米有多少克来表示，水的密度是每立方厘米重1克，铁是79克，汞是193克。如果我们从脉冲星上面取下1立方厘米物质，称一下，它可重1亿吨以上、甚至达到10亿吨。假定我们地球的密度也达到这种闻所未闻的惊人程度的话，那它的平均直径就不是12740公里，而是一二百米或更小。（4）温度高得惊人。据估计，脉冲星的表面温度就可以达到1000万度，中心还要高数百倍，譬如说达到60亿度。我们以太阳来作比较，就可以有个稍具体的概念：太阳表面温度6000摄氏度
10、不到，越往里温度越高，中心温度约1500万度。（5）压力大得惊人。我们地球中心的压力大约是300多万个大气压，即我们平常所说的1标准大气压的300多万倍。脉冲星的中心压力据认为可以达到10000亿亿亿个大气压，比地心压力强30万亿亿倍，比太阳中心强3亿亿倍。（6）特别强的辐射。太阳一刻不停地向四周辐射出大得惊人的能量，到达地球的只是其中的22亿分之一。即使如此，我们人类获益匪浅。而脉冲星的辐射能量平均为太阳的百万倍。（7）特别强的磁场。在地球上，地球磁极的磁场强度最大，但也只有07高斯。太阳黑子的磁场更是强得不得了，约10004000高斯。而大多数脉冲星表面极区的磁场强度就高达10000亿高斯
11、，甚至20万亿高斯。 脉冲星都是我们银河系内的天体，距离一般都是几千光年，最远的达55000光年左右。根据一些学者的估计，银河系内脉冲星的总数至少应该在20万颗以上，到80年代末，已经发现了的还不到估计数的千分之五。今后的观测、研究任务还很艰巨。 脉冲星从发现至今，只有短短二三十年的时间，尽管如此，不论在推动天体演化的研究方面，在促进物质在极端条件下的物理过程和变化规律的研究方面，它已经为科学家们提供了非常丰富而不可多得的观测资料，作出了贡献。同时，它也在这个新开拓的领域内，向人们提出了一连串的问题和难解的谜。3 脉冲星理论模型物理上，我们要研究一个东西或者一个物理量，我们通常要建立一个模型。
12、比如说：刚体，质点等就是模型，这些模型都是理想的，但只要恰当选择，建立的模型和实际情况还是很接近的。在这里，我们要研究脉冲星，就要建立一个脉冲星的模型。建立脉冲星的模型要根据脉冲星的本质特性来建立，这样建立的模型才会和实际脉冲星的辐射相符合。科学家已经建立了很多模型来研究脉冲星的辐射机制。当然每个模型都有各自的优缺点。我通过翻阅和脉冲星的辐射机制有关的论文发现几个比较典型的脉冲星辐射模型，有磁偶极模型，RS模型等。下面我整理出的这几个模型和模型的原理。3.1 磁偶极模型和原理 Pacini和Gbld曾预言,脉冲星是自转的中子星,其中存在一个很强的磁场驱动着共转的磁层,自转能通过磁偶极辐射而减少
13、。Oostriker和Gunn发展了Pacini的最初设想,提出了磁偶极辐射模型1。Oostriker和Gunn的磁偶极模型的主要思想是将脉冲星理想化看成是一个被磁化了的球体，而旋转的磁化的球体的磁偶极辐射会引起自转能的损失，用这个来解释脉冲星自转能的减少是由于其旋转发生磁偶极辐射。设磁偶极子的磁矩为m，绕垂直于自转轴以旋转，则其辐射电磁波的总能量为2/3 m4C-3,设转动惯量为I，则2d/dt(12I2)=-Id/dt=2/3 m24C-3 (1)m=P03Bmax其中R0是中子星的半径，Bmax是中子星表面最大磁场强度。我们任务中子星的自转速率以以下规律变化：d/dt=-Kn (2) 其
14、中K为某一常数，n为中子星自转的制动指数。n=(2/2t)/(ddt)2=2-P(2P/2t)/(dPdt)2 (3)在这里，研究模型是磁偶极模型，n=3脉冲星由磁场和电荷构成的磁层,同其星体一起共转,但在光速园柱外这种共转性将遭到破坏。最外一条与光束园柱相切的闭合磁力线包围的区域称共转区,极角大小由=arcsin (r/C)决定,此极角内的区域就是非共转区。脉冲星的辐射区就位于其非共转区。先前已经有科学家Goldeich和Julian解决了中子星的磁层的电荷问题，但是还是存在问题：在磁层中沿着磁力线的电场强度不存在，即沿着磁力线的电场强度处处为零。这样话，在磁力线周围的一些等离子就不会因为受
15、到电场力而被加速。我们只有找到能够加速等离子体的体系才能够观测到辐射。而这种机制在简单的磁偶极子的脉冲星的模型中没有得到实现，这在RS模型中由Ruderman和Sutherland提出并实现了。脉冲星的辐射机制的解释在RS模型中得到了合理的解释，这种解释我在RS模型中会提及。之前已经有学者已经过了，脉冲星的磁偶极模型在理论上和实际天文学观测上存在一些问题，这也暴露了脉冲星的磁偶极模型并不是完善的，不能够很好的解释脉冲星的射电辐射的现象。自从脉冲星在1967年发现以来，人们就认为脉冲星其实是一颗旋转着的中子星，这个结论一直以来就被普遍接受了。天文观测资料显示：脉冲星的自转周期是在逐渐变长，并不是
16、一成不变的。大多数脉冲星的周期变化率都是正值的，只有少数脉冲星的周期出现突跳现象。脉冲星的磁偶极子模型认为：脉冲星的自转周期变长是因为脉冲星向外辐射导致自身能量变少所导致的。用脉冲星的磁偶极子模型计算出的蟹状星云脉冲星的年龄和超新星遗迹的年龄相近，因此，脉冲星的磁偶极子模型被大家所认可。但是这个模型在理论和时间天文观测上的对比还是存在差距和不足的。在统计上磁偶极模型算出的磁场演化是衰减的3,时标大约是106-107年,但许多理论工作得到的往往大于这个时标.Heuvel认为4,如果脉冲星存在9106年的磁衰减,那么毫秒脉冲星将时入“死亡线”以下,而不可能仍有108高斯量级的磁场存在,而且在PSR
17、的周期分布图上,3秒附近也应该有一峰值。Sang等人从理论是得出了PSR磁衰减尺度为108年5。他们认为PSR的磁场是充满整个壳层,其磁场不仅向内扩散而且也且也向外扩散,由于内部电导率大,因此电流是流向内部区域,这样计算出的衰减时标应为108年6,7。脉冲星的磁偶极子模型中理论和实际观测上的差距主要来自脉冲星的磁偶极子模型在理论上的不完善，也有可能有一些因素是来自观测上仪器的精确度。要想缩小理论和实际观测的差距，就必须改进脉冲星的磁偶极子的理论。3.2 RS模型和原理由于脉冲星的磁偶极模型在理论和实际观测上存在差距，因此要达到理论和时间观测有教好的吻合，就必须对脉冲星的磁偶极模型进行修正。在上
18、文中我们提到，在脉冲星的磁偶极模型中不能很好的解释一个问题：磁力线上的等离子体得不到加速。因此必须要找到合理的机制才行。Ruderman和Sutherland提出的RS模型能够比较好的解释脉冲星的射电辐射现象。他们在RS模型中提出的有效机制克服了一些困难：比如不能使等离子体加速的问题，并且RS模型还提出了能够产生中性等离子体源的机制。在RS模型中，如果有正电荷从不封闭的磁力线上向外运动的时候，就会在极冠处形成真空Gap区。在这个区域内，电场分量不为零，如果提供强磁场，光子将会变成正负电子对，这正负电子对就会在不为零的电场分量下加速运动。这样又会辐射出更高能量光子，这些光子在强磁场下又会转化为正
19、负电子对。这样不断的下去就会出现一个雪崩的过程。最后，带点离子将沿着不封闭的磁力线的切线将能量向外辐射出去。脉冲星的RS模型成功解决了脉冲星的磁偶极子模型在观测和理论上出现的问题。同时RS 模型也对脉冲星的积累轮廓,偏振特性、强度、零脉冲,漂移子脉冲及微脉冲都作了合理的解释。可以说RS模型比脉冲星的磁偶极模型更加先进。脉冲星可以看成是被强磁场磁化的高速旋转的球体。其表面磁场高达1012高斯。脉冲星向宇宙中辐射的能量来自带电粒子的感应电场，但是控制带电粒子运动的还是磁场，因此研究脉冲星的磁场，也就是脉冲星的磁层是更加重要的。由于脉冲星的磁层相当复杂，想得到脉冲星外部磁场的精确解是相当困难的。虽然
20、说脉冲星的磁偶极模型能够得到教好的一级近似解，但是显然还是不够精确。在脉冲星被发现后的一年多时间里(1969年),Goldreich和Julian研究了自转和磁矩共轴的轴对称中子星的外部磁场结构8。他们首先得出这样的结论:脉冲星周围不可能是真空,应当存在可观的空间电荷以构成磁层,这个磁层与脉冲星共转,一直延伸到光速圆柱面。RS模型中提出了非常著名模型：极隙模型。理论计算显示：在1012高斯的强磁场下，中子星表层的物质结构主要由磁场决定，表面结晶为各向异性的分子结构。这种分子结构的束缚能是相当高的，要想在如此之高的束缚能下发射离子是不可能的。另外,表面层电流产生的欧姆热也远不足以克服离子的束缚能
21、。而中子星壳层之间产生的摩擦热量也难以使离子发射。因此,理论和观测都支持这样一个事实,中子星表面没有足够的热量来“蒸发”离子。最后,考虑这样一种情况,在大多数脉冲星模型中,磁层内的正负电子被加速到相对论性的能量。这种极高能量的粒子(一种符号)将轰击中子星表面。但是这种碰撞也无法使中子星表面的离子发射,原因是这种碰撞转移的能量太少9。4 脉冲星辐射机制探讨接下来的内容是本次论文的关键和核心所在。鉴于本人只是水平有限，不能够很深入的研究脉冲星的辐射机制，我根据很多前人学者对脉冲星的研究为依据，将前人的研究成果整理出来。并且在我只是水平的基础上对脉冲星的辐射机制发表一点自己的看法。希望能够在学习了学
22、者们的研究成果后，对脉冲星能有一个更加深入的了解。本次论文的目的是鉴于自己对脉冲星的好奇和兴趣，能够借此机会对脉冲星的辐射机制进行浅层次的探讨，希望以后能在中学物理教学中为学生开一堂有关天体物理方面的拓展性公开课。下面我将分两个层次来介绍：研究脉冲星的理论模型和根据理论模型来探讨脉冲星的辐射机制。4.1 前人对脉冲星研究成果研究脉冲星能为人类的发展带来很多帮助，因此之前很多的学者对于脉冲星的研究成果已经很多了。下面我将举例说明一些典型的研究成果：（1）利用脉冲星守时。根据目前的科学水平认为脉冲星是宇宙中最精确的时钟。而脉冲星的精准校时能极大促进宇宙的涟漪引力波的搜索工作。引力波被视为是爱因斯坦
23、广义相对论中最后一个未被证明是对的部分。脉冲星的出现将带领人类探索宇宙更深处的奥秘。1967年英国剑桥大学的天文学家再狐狸座发现发现了脉冲星，他的发现引起了科学界的极大轰动。很多学者对此展开研究。这颗脉冲星发出的信号被称为“宇宙中闪烁的灯塔”，它发出有规律的信号，并且周期十分稳定，周期为1.337秒。开始人们认为这是外星智慧生物向我们发出的信号，这颗脉冲星也被称为“小绿人1号”。后来经过很多科学家的努力终于证明了这确实是一个天体发出的。但恒星要成为脉冲星可并不容易，需要很强的磁场。而只有体积小、质量却大（即密度极高）的恒星，才有足够强大的磁场。人们一下子想到假说中的天体中子星，在理论预言里，中
24、子星密度大得惊人，完全符合脉冲星的强度和频率要求。于是，脉冲星又立一功，让中子星真正由假说成为事实，这是上世纪天文学上的一座里程碑。脉冲星超高稳定的时间特性，使它成为天文学时钟的不二选择。脉冲星时短期稳定度比原子时低,主要原因是受到计时观测误差的影响。目前,相干消色散技术已成功应用于毫秒脉冲星计时观测,加上软硬件改进与计时观测设备数量和观测时间的增加,计时观测精度不断提高。近年来,国际上脉冲星计时阵PTA获得长足发展,约有10余个PTA先后投入工作。所谓脉冲星计时阵,就是射电望远镜按照规范的操作程序,对一组选定的毫秒脉冲星进行常规性的长期计时观测。这样工作的每一个望远镜就是一个脉冲星计时阵。随
25、着毫秒脉冲星计时观测日趋规模化和规范化,观测得到的脉冲星时的稳定度会有进一步提高。脉冲星时在毫秒脉冲星与原子钟结合守时、建立综合脉冲星时和用脉冲星计时阵检测原子时误差等方面可望获得实际应用。在科技日益发达的今天，我们对时间的准确性的要求越来越高，而研究脉冲星的守时性正能满足我们的需求。（2）X射线脉冲星应用于导航技术。X射线脉冲星能够为近地轨道、深空和星际空间飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息,实现航天器高精度自主导航和运行管理10。而为近地飞船提供导航以及将来为宇宙航天器导航的技术将越来越需要发展。之前一二十年有很多国内外的专家学者对此展开研究。下面我将列举一些关于X射线脉
26、冲星应用于导航技术的研究历程：自从1967年第一颗脉冲星被英国剑桥大学发现以后，直到1974年，Downs首次提出基于射线脉冲星的航天器自主轨道确定方法11。但是他提出的方法要求探测设备天线口径为25m，时间积分达到24h。而宇宙中的天体辐射覆盖了整个射频波段，这就会掩盖了狭窄微弱的脉冲星信号。而对于信号强度低，光度弱的脉冲星，更需要更大的口径的设备以及较高水平的信号处理技术。显然，脉冲星的光学和射频信号都不适宜来为航天器导航。 1976年，美国的天文观测卫星Ariel-5首次观测到了脉冲星的辐射信号12。由于X射线能量高，在脉冲星的辐射能量中，X射线的能量占绝大多数，因此探测脉冲星发出的X
27、射线，能够更加容易的，更加有效的被探测到。这样的话，对于探测技术和信号处理技术的要求会低一些，而且设备口径也可以比较小，这就有利于把小口径的设备装上航天器。1993年，Wood设计了非常规恒星试验，继承了传统天文学掩星方法，对于利用X射线源的航天器轨道和姿态确定以及时间保持进行了综合研究13。此后,Hanson针对USA试验做了深入细致的研究工作,提出了基于X射线源的航天器姿态测量算法和时间保持锁相环路设计方案,仿真姿态测量精度达到0.01度,利用单颗脉冲星信号的时间保持误差小于15ms。1999年2月23日,搭载USA试验设备的高技术研究与全球观测卫星被发射进入轨道高度840km,倾角98度
28、的太阳同步轨道14,15。大量观测和理论都证明，航天器实现自主高精度确定轨道导航的可行性。目前，有美国，日本等国家也在进行有关X射线脉冲星导航的研究。4.2 本人的一些看法自从发现了脉冲星之后，人们对于脉冲星的探讨就没有停止过。因为脉冲星无论从现象到本质都有无穷的魅力。研究脉冲星的辐射机制能为人类带来很多好处，比如说：利用脉冲星为飞船导航；利用脉冲星自转周期的稳定性来校准时间等等。科学家们通过构造一个个模型来研究脉冲星，希望脉冲星的辐射机制和他们构造的理论模型能够尽可能好的吻合。学者们研究脉冲星构造出好集中理论模型，由磁偶极子模型，RS模型等等。这些模型有些很不相同，有些模型是令一些模型的修正
29、。其中RS模型就可以看成是磁偶极模型的修正。作为一个物理系的本科生，我在理论知识上并不是很好，在看待这些问题上的深度还远远不够。但是出于对脉冲星的好奇，我希望结合有关脉冲星的学术论文对脉冲星的辐射机制进行我自己的探讨。Cheng Ho和 Ruderman提出了一个外间隙模型来解释脉冲星的高能辐射,称为CHR模型16。在这个模型中提到在零电荷表面附近,当有离子通过中子星的磁层时 ,就会产生磁荷耗损区。在磁荷耗损区由于很多复杂的作用,光子会转变成大量的正负电子对,这样在中子星的磁荷耗损区就会有强大的电场。在这个模型中，脉冲星通过曲率辐射，产生光子，光子与X射线碰撞产生正负电子对。这些正负电子对加上
30、X射线的散射的作用而辐射出光子。脉冲星给人感觉好像是一段一段地发射电脉冲，所以很容易认为是一闪一闪的和星星一样忽明忽暗。实际上，脉冲星并非或明或暗。它们发射出恒定的能量流。这一能量汇聚成一束电磁粒子流，从星体的磁极以光速喷射出来。中子星的磁轴与旋转轴之间成一定角度，这与在地球上，磁北和磁北的地理位置略有不同一样。星体旋转时，这一能量束就象灯塔的光束或救护车警灯一样，扫过太空。只有当此能量束直接照射到地球时，我们才能用射电望远镜探测到脉冲星。 脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量，因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢，以致于信号周期的精确度能够超过原子钟。而从脉冲星的周期就可以推测出其年龄
31、的大小，周期越短的脉冲星越年轻。所以真实上所谓的脉冲星是一直在放出能量流的，只不过地球接收到的是脉冲的。由美国、加拿大、日本等国科学家组成的科研小组利用钱德拉X射线天文望远镜进行的天文观测发现，在20光年区域内，有极高能粒子喷发并发出明亮的弧光。科学家认为这是由脉冲星产生的物质和反物质粒子流造成的。人们从未观测到其他脉冲星有这种规模的高能粒子的喷发和强大的弧光。利用钱德拉X射线天文台望远镜观测到的景观，科学家们深入地了解了旋转中子星产生7000万亿伏电压的过程以及这种极高电压如何影响它们的环境。人们对B150958中子星特别感兴趣，因为它比巨蟹座星云脉冲星有更强的磁场。巨蟹座星云脉冲星仅在较小
32、的范围内拥有类似的景观。在这之前，没有任何人知道是否拥有极高电压和能量输出，这是所有脉冲星的标志。巨蟹座脉冲星只是一个古怪的星体。现在我们已清楚脉冲星是一座超巨型“宇宙电站”。据认为，弧光是由物质从脉冲星赤道喷出产生的冲击波造成的。通过测量这些弧光的位置和宽度，科研小组估计了磁场强度和脉冲星向宇宙喷发的高能粒子的速率。加利福尼亚大学伯克利分校的阿龙斯说，脉冲星不仅能高效加速粒子，而且它使这些粒子所拥有的能量可同宇宙射线中发现的最高能量相媲美。同样，天文学家通过钱德拉X射线天文观测台收集的数据发现，一颗名为B195720的“黑寡妇”脉冲星快速旋转的大质量高密度星体其周围由高能粒子包裹，并不断向外
33、喷射物质与反物质粒子。在这次历史性的发现中，人们观测到这颗脉冲星所发出的高能宇宙射线正在摧毁其伴星。该脉冲星的发射频率仅为1/1600秒，同时，其移动速度达每小时100万千米，发出的冲击波可以通过光学望远镜观测到。最令人惊异的是，该脉冲星由于高速移动而在其局部形成的压力所产生的第二道冲击波，发射出大量高能粒子。这是人类首次观测到的现象。射电辐射究竟是怎样产生的？中子星可能类似于我们地球，都具有磁场，而且磁场强度远比地球强得多。假设其磁轴与自转轴不一致（地球就是这样），中子星在自转时，带动其磁场一起转。不妨这样设想：在自转的磁化中子星表面，中子转化成电子和质子，表面的强电场足以将这些带电粒子抛离
34、中子星。这其中运动最快的是电子，它们沿弯曲的磁力线飞向空中，发射出的巨大能量足以使蟹状星云在诞生后千余载仍靠着这些电子发光。因此，中子星所释放的能量并不均匀，而是高度集中在电子的飞行方向，即磁轴所在方向的两个锥状空间相当于灯塔的光柱之中。磁轴转动时，远方的观测者只有在碰巧被扫到时才能接收到辐射。因此在他看起来，中子星的辐射就是一闪一闪的，呈很有规律的周期性。由于脉冲星放出的可见光和射电辐射都来自中子星的自转能，如此强大的能量释放，会使中子星的转速逐渐放慢下来，从而使脉冲星周期缓慢变长。人们对蟹状星云脉冲星的周期进行了仔细研究，结果发现，正如预言的那样其自转速度正在减慢，周期每天增加36.481
35、09秒。后来，人们在其他脉冲星中也发现了这种现象，即从另一方面证实，脉冲星是自转中子星的说法是合理的。有时候脉冲星会突然稍微加快自转周期，然后又恢复减慢的趋势。1968年以来，天文学家在蟹状星云脉冲星和船帆脉冲星中，都发现了这种现象。一些科学家认为，中子星自转加快是由突如其来的星震造成的。在中子星的冷却过程中，它表面已形成的硬壳有时会碎裂。地球上的地震地壳的较大震动也会影响地球的自转周期，中子星上可能也存在着类似现象。有一种观点认为，这是由于中子星向外抛射大量等离子体，或者外部物质与中子星相撞所造成的。另一种说法是，中子星内部存在一种超流中子，它们在靠近星核附近时比外部转动得更快，这些中子流向
36、外部区域时，就会使自转突然加快。但总体而言，目前星震说较占优势。5 总结在本论文中，我通过查阅各种有关脉冲星的论文和期刊，了解了很多关于脉冲星的知识尤其是很多关于脉冲星的辐射机制的探讨。虽然关于脉冲星的探讨已经有很多学者在研究，但是这个辐射机制还是没有唯一的定论。科学家们根据天文观测资料，了解脉冲星的特性和活动规律，这对脉冲星的实际情况建立研究脉冲星的理论模型，从而通过研究理论模型来达到了解脉冲星的目的。论文中已经提到了关于脉冲星的模型由很多，有磁偶极子模型，RS模型，外间隙模型等等。脉冲星就像是一个高速旋转的磁性球体，遵循着能量守恒定律将自身的自转能转化为向宇宙空间辐射电脉冲的能量，显然，随
37、着时间的推移脉冲星的自转能量会变小，转速就变慢。最近有学者提出了，脉冲星的自转周期突变存在理论缺陷。据国外媒体报道，英国南安普敦大学的研究人员对一个已经存在40年之久的理论产生质疑，这一理论旨在解释脉冲星自转突变的原因。脉冲星是由超新星的遗骸组成的一种高度磁化的旋转中子星。它发出的电磁辐射扫过地球时，可被高倍望远镜检测到。脉冲星通常以稳定速度旋转，但有时它会加快旋转速度，我们称之为“自转突变”。科学界普遍认为，这一现象是由于行星内部的能量通过快速旋转的超流体，被转移到行星的地壳而造成的。尼尔斯-安德森教授曾解释道：脉冲星好比是一碗汤，当碗以一定速度旋转时，碗内的汤会以更快的速度旋转。由于碗的表
38、面和汤之间存在摩擦力，正是这种力使碗的转速加快。所以，当汤越多时，碗转的越快。这个比喻形象说明了脉冲星为什么会突然增加速度，产生“自转突变”的现象。但是，安德森教授与文尼博士以从高倍望远镜获得的数据和核物理理论为基础，对脉冲星“自转突变”理论发出质疑。研究表明：存在于地壳中的大量超流体就好比是“汤”，其与地壳之间无法产生足够的摩擦力，无法使脉冲星产生巨大的自转突变量，即获得更快的旋转速度。尽管脉冲星的自转周期突变理论存在漏洞的结论还没有被大多数人认可，但是我觉得这位研究员分析的挺有道理的。总之，通过本次论文的学习，我觉得自己对于天体物理的知识提高了不少，对于脉冲星的辐射机制也比以前了解了很多。
39、希望在以后中学的教学过程中能为学生讲述有关天体物理方面的知识，拓展学生的视野。 参考文献1 李启斌译.脉冲星.北京:科学出版社,19812 张承民，吴鑫基，贺龙松.脉冲星的辐射机制.北京：北京大学数理系，19943 Lyne A G,Manehester R N,Taylor J H,M N R A S,1985,213:6134 Van den Heuvel, E P J,Van Paradiis J A,Taam R E.Nature,1986,322:1535 Sang Y, Chanmugam GAP J,1987,323:L616 Beskin V S.et al;AP S S,19
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