钟萃相

【摘 要】脉冲星的发现是20世纪60年代激动人心的重大发现，对现代物理学的发展产生了深远影响。尽管人们在发现脉冲星之后，很快就确认了脉冲星就是快速旋转的中子星，但对于中子星源源不断地发出电磁脉冲信号的本质机制却一知半解。因此本文作者分析了中子星的形态结构和大气环境，发现一个中子星通常有两个大气涡旋结构分别位于其南极和北极，因而包含两组并行的螺旋云路，可产生两组分别位于南极和北极的偶极子磁场。正是这两组极性相同的偶极子磁场的叠加形成了中子星的磁场，能源源不断地发出灯塔光似的电磁脉冲信号。由于太阳系行星上的大气涡旋是微小的吸积盘，而中子星、黑洞和活动星系核的吸积盘实质上是大尺度的大气涡旋，因此中子星大气涡旋的形成机制和电磁脉冲信号发射机制可以推广到黑洞的吸积与喷流。

【关键词】脉冲星；中子星；电磁脉冲信号发射机制；黑洞；吸积；喷流

中图分类号： P145.6 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0101-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.043

0 引言

脉冲星是宇宙中最为神秘的天体之一，其密度之大、温度之高、压力之大、磁场之强超乎人们的想象，因而引起了人们的极大兴趣和好奇。1967年11月28日，剑桥大学卡文迪什实验室的安东尼·休伊什教授和他的研究生乔丝琳·贝尔首先发现了脉冲星发来的电磁脉冲信号[1，2]，接着他们很快就确认了脉冲星就是快速旋转的中子星，使中子星由假设变成了事实[3]。这真是上个世纪天文学上的一件大喜事。因此，脉冲星的发现被称为二十世纪六十年代的四大天文学重要发现之一。休伊什教授也因此获得了1974年的诺贝尔物理学奖。

自从第一颗脉冲星被发现之后，人们已找到了不少于1620多颗脉冲星，而且它们都是在银河系中发现的[4，5]。脉冲星的一个显著特性是稳定而短暂的脉冲周期[6]，这样有规则的脉冲是怎样产生的呢？至今悬而未决。幸而作者重新研究了脉冲星的形成与演化过程，找到了一个的科学合理的答案。

1 现有的脉冲星形成与演化理论

脉冲星及其奇异特性的发现促使人们对脉冲星的起源和演化做了认真的研究。天文学家得出的初步结论是一个脉冲星起源于一个大质量恒星在超新星爆发过程中被压缩而成的一个中子星。该中子星保留了原恒星的大部分角动量，且其半径仅是原恒星半径的一小部分，因此形成的中子星具有很高的自转速度。同时，收缩使中子星成为一块极强的磁铁，电磁波束就是沿着该脉冲星的磁极发射出来的，其中磁极决定着电磁波束的方向，但脉冲星的磁极未必就与旋转轴一致。这种不一致使得脉冲星每旋转一次其电磁波束只能被看到一次，这就导致了脉冲星表面上的脉冲性。这种假说就是已被大多数专家接受的“灯塔模型”。

在由转动供能的脉冲星中，电磁波束是由中子星的转动能产生的，其中由强磁场的运动产生一个电场，在电场的作用下恒星表面上的质子和电子得到加速，并从磁极发出一个电磁波束。随着时间的推移和电磁能量的發出，中子星的旋转会逐渐地慢下来[7]。当一个中子星的旋转速度足够慢时，脉冲星的射电机制就被认为是关闭了。这种关闭似乎在1千万年或1亿年之后就会发生，这意味着出生年龄为130.6亿年的中子星约有99%都已停止脉搏[6]。

虽然把脉冲星看着是快速旋转的中子星的观点已被广泛接受，但对于脉冲星的脉冲产生机制至今悬而未决。德国马克斯地外物理研究所的Werner Becker 在2006年说过：尽管经过了近四十年的努力，关于脉冲星如何发射其电磁波的理论仍然处于萌芽阶段[8]。

2 脉冲星形成新理论

虽然上述灯塔模型已被大多数专家接受，但它遇到了如下几个难以解答的问题：恒星收缩为中子星时为何能变成一块磁铁？磁铁高速旋转时，真的能从磁极发光吗？所以这种假说仍然难以置信。事实上，灯塔模型是由地磁场的形成假说做简单推广得到的，而地核内有液态铁，中子星是致密星，所以不能简单地把地磁场的形成假说推广为脉冲星磁场的形成假说。再说，现有的地磁场的形成原因至今不清楚，所以简单地简单地把地磁场的形成假说推广为脉冲星磁场的形成假说缺乏坚实科学的基础。

我们在研究一个星球的磁场时不能只看其内部结构，而应该更多地关注其外部环境，因为星球的电磁场主要由其外部大气层中的带电离子的运动产生的。比如，大家熟悉的地球拥有浓密的大气层。由于地球自转离心力的作用使其成长为赤道隆起、两极稍扁的球体，使地球两极位置的半径小于赤道及其他位置的半径，而万有引力和距离的平方成反比。当地球快速自转时，产生的强大离心力，使赤道和低纬度地区上空的云团容易脱离其旋转轨道而向南极或北极移动。由于极地位置的万有引力大于其他位置的万有引力，因此当云团移到极地时容易被极地的万有引力吸引住，吸入冷空气后便凝结成厚重的云团而下沉。许多坠向极地的云团随着地球的自转便形成一股很强的围绕极地旋转的环流，即“极地涡旋”，如图1所示。

图1 地球极地涡旋

图2 土星北极大气涡旋

图3 木星北极涡旋中的螺旋电流

地球有两个涡旋结构，分别位于南极和北极，深度可跨越地球的对流层和平流层。这种涡旋结构常年存在，在冬季达到最大强度。太阳系中金星、火星、木星和土星也有涡旋现象，其中土星和木星的极地涡旋尤为壮观，分别如图2和图3所示。其中图2是由美国美国宇航局卡西尼航天器拍摄到的土星北极六角形中心的大气涡旋，这个巨大六边形的每边的边长都在1.38万公里，超过了地球的直径；图3也是美国宇航局通过哈勃太空望远镜捕捉到的木星北极涡旋中的螺旋电流。

我们已经知道，脉冲星就是快速旋转的中子星，它是超新星爆发的产物。由于自转离心力的作用，中子星也逐渐演变成赤道隆起、两极稍扁的球体，如图4所示。虽然中子星体积小，但其质量比太阳的质量大得多，比地球的质量大得更多，因此中子星周围的星云厚度和密度分别比地球和木星上的大气厚度和密度大得多，这正是中子星难以被观察到的原因[9]。当中子星快速自转时，其赤道附近或低纬度地区上空的云团在强大离心力的作用下容易脱离旋转轨道而向两极移动，在两极上空受冷空气影响，形成非常厚重的云团，这些云团在两极强大引力的吸引下逐渐下沉，并随着中子星的快速自转而围绕中子星极地旋转，形成强大的极地涡旋。由于卷入极地涡旋的云团数量巨大且快速旋转，容易发生剧烈的摩擦和猛烈的碰撞，从而可在涡旋中产生强大猛烈、持续不断的雷电，如图5所示。

由于卷入极地涡旋的云团源源不断且以螺旋方式向下快速旋转，因此可形成一系列近乎平行的厚实螺旋云路，这种下移的云路直接引导着带负电的较重水滴向下流动，从而形成电子快速下移、导电性能极佳的电路。由于涡旋中的云团发生剧烈的摩擦和猛烈的碰撞，使涡旋中充满了正离子和负离子。云中的水滴“优先”吸收大气中的负离子，使水滴逐渐带上了负电荷，因为带负电的云滴比较重，就下移到云的下部甚至沿螺旋云路流落到涡旋底部，较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部甚至沿螺旋云路上移到涡旋顶部，从而在螺旋云路中形成了从涡旋底部流向涡旋顶部的电流。特别地，由于螺旋云路上大量云团快速向下旋转，容易发生猛烈的碰撞，释放出大量的引力势能并转化成电能，因此，涡旋中任何时刻都有许多电场和雷暴在活动。每个雷暴好似一部静电起电机，能产生负电荷并沿着云路将其送到涡旋底部，同时将正电荷沿着云路送到涡旋顶部，从而形成沿着螺旋云路从涡旋底部流向涡旋顶部的强大电流。由于这种电流源源不断地沿着螺旋云路从涡旋底部流向涡旋顶部，因此就产生了强大的偶极磁场，这种磁场的N极指向地理南极而磁场的S极指向地理北极，如图4所示。正是这些生于两极的同向偶极磁场叠加在一起形成了脉冲星的磁场。在中子星的旋转过程中，每当这样一个涡旋指向地球时，地球上的人就可以收到脉冲星的电磁脉冲。

3 脉冲星的演化

我们已知脉冲星就是快速旋转的中子星，而中子星是由超新星爆发的产物，它并非一成不变的。随着星系的运行，中子星会不断地吸收轨道附近的气体、尘埃及其他星际物质，使自身质量逐渐增加，大气层变厚，自转速度逐渐降低。当其表面重新覆盖上一层厚厚的物质，且其周围大气层又变得非常浓厚时，中子星表面的压力和温度就会变得足够高以至重新启动热核反应，再次引起超新星爆发。结果会很快地地消耗积累起来的大气层和表面物质，使中子星再次发生坍缩，星体大大缩小，自转速度大大提高，重新获得一个质量更大的中子星。由此可见，在脉冲星向大质量恒星演变的过程中，可能要经历多次超新星爆发，每次超新星爆发都获得一个质量更大的中子星[10，11，12，13]，当中子星的大气层重新变厚时，便得到一个新的脉冲星，最终演变成一个黑洞。

4 从中子星的形成与演进到黑洞的吸积与喷流

根据前面的描述可知，太阳系中金星、地球、火星、木星和土星都有极地大气漩涡。尽管地球和土星的极地大气漩涡可跨越对流层和平流层，但从天文望远镜和卫星拍摄的图像来看，它们都酷似大质量恒星上的吸积盘，如图1和图2所示。另一方面，一些国际性研究团队先后观察到了黑洞吞噬一颗行星的全过程，结果验证了已有的黑洞吸积盘理论：由于物质受到引力作用向中心天体落下形成的盘状结构，当物质沿螺线落向黑洞时，强大的引力场使得物质摩擦并被加热；黑洞的吸积盘热得辐射出X射线。由此可以推断上述行星上的大气涡旋就是微小的吸积盘，而中子星、黑洞和活動星系核上的吸积盘就是大尺度气体涡旋[14，15，16，17]。因此，中子星涡旋的形成和电磁脉冲发射机理可以推广到黑洞的吸积与喷流。

虽然现有的黑洞吸积盘理论基本上能解释黑洞吸积盘的形成过程，但还不完善，未能清楚地揭示吸积盘的真真实结构和地理位置。该理论仅根据观察映像断定黑洞吸积盘是一种盘状结构，而不知道其真实面貌是一种大尺度涡旋结构。该理论还错误地认为吸积盘是包围中心天体并围绕中心天体旋转的盘状结构，而不知道吸积盘是生于星体极地并围绕星体自转轴旋转的大气涡旋结构，而且在星体两极有对应的一对大尺度漩涡。更糟的是现有的黑洞吸积盘理论未能揭示喷流的实质性机制[18，19，20]。

在中子星向大质量恒星演变的过程中，可能要经历多次超新星爆发，每次超新星爆发都能获得一个质量更大和转速更快的中子星，最终演变成高速旋转的黑洞。由于自转离心力的作用，黑洞也逐渐演变成赤道隆起、两极稍扁的球体，如图4所示。由于黑洞的质量比行星的质量大得更多，因此黑洞周围的星云厚度和密度分别比地球和木星上的大气厚度和密度大得多，这正是黑洞难以被观察到的原因。当黑洞快速自转时，其赤道附近或低纬度地区上空的云团在强大离心力的作用下容易脱离旋转轨道而向两极移动，在两极上空受冷空气影响，形成非常厚重的云团，这些云团在两极强大引力的吸引下逐渐下沉，并随着黑洞的快速自转而围绕黑洞极地旋转，形成强大的极地涡旋。由于卷入极地涡旋的云团数量巨大且快速旋转，容易发生剧烈的摩擦和猛烈的碰撞，从而可在涡旋中产生强大猛烈的雷电和喷流，如图8所示。又因为大气涡旋的形状像圆锥形漏斗，这个漏斗底部有一个长长的圆柱，所以从这个圆柱产生的喷流将沿着圆锥中心轴线（即极轴）射出，形成一个宇宙火柱。

图8 黑洞的吸积与喷流

5 结论

脉冲星的发现是20世纪60年代天文学的四大发现之一，为人类探索自然开辟了新的道路，而且对现代物理学的发展产生了深远影响。尽管人们在发现脉冲星之后，很快就确认了脉冲星就是快速旋转的中子星，但对于为何中子星能源源不断地发出电磁波的问题却一直悬而未决，拖延了将近半个世纪。因此本文作者重新分析了中子星的形态结构和外部大气环境，找到了中子星源源不断地发出电磁波的本质机制，提出了涡旋模型，并能很好地回答有关脉冲星本质特征的一系列重要问题，因此可谓是脉冲星研究的一次重大飞跃。另外，由于中子星、黑洞和活动星系核上的吸积盘就是大尺度气体涡旋，因此中子星涡旋的形成机制和电磁脉冲发射机制可以推广到黑洞的吸积与喷流。

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