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磁星悄然登场

2021-05-11戴铭珏

科学24小时 2021年5期
关键词:中子星脉冲星射电

戴铭珏

在宇宙天体家族中,说起谁最“厉害”,那么非黑洞莫属。它有着强大的引力,可以把任何身边的物质都抢夺过来,收归自己所有。它的物理性质,每一项都远远超出我们的认知。若是问起谁是“厉害”程度仅次于黑洞的天体,人们似乎还摸不着头脑,但会想到密度这个问题,黑洞无限大的引力就是因为它有着无限大的密度。从这个角度看,密度次之的中子星应该是第二“厉害”的天体。

但这样的答案并不完全对。因为中子星也不是只有简单的一种,它也有一个家族。在这个家族中,还存在着脉冲星和磁星。磁星是中子星家族中极为特殊的角色,它才是宇宙中仅次于黑洞的“厉害”家伙。

磁星的密度极高,巨大的引力让它自身的原子都受到挤压,原子核外侧的电子和原子核内部的质子挤压在一起成为中子,所以磁星完全由中子组成,它是中子星家族的一员。虽然磁星的直径大小只有20多千米,但要论起质量,它可不是小家伙,任何一颗磁星的质量都能达到地球的百万倍,地球的质量在它面前实在是不值一提。既然被称为磁星,就不能辜负这个名字。磁星其特征是拥有非常强大的磁场,比一般的中子星磁场要强1000多倍,这让人类现有的技术都望尘莫及。

CHIME 加拿大氢强度映射实验望远镜

中國天眼FAST 射电望远镜

既然同为厉害的家伙,黑洞和磁星就会拥有很多共同的特性。比如,宇宙中最激烈的行为是两个天体撞击,撞击可能产生黑洞,也可能产生磁星。宇宙中某处发射出最强的伽马射线,不要总认为是黑洞在作怪,也可能是磁星在作怪。

神秘的快速射电暴

最初,人们并未意识到中子星的存在。20世纪60年代中子星被发现之后,人们也并未意识到磁星的存在。在科学发现的道路上充满了坎坷,也充满着传奇。磁星是随着快速射电暴的发现才进入科学家的视野的。

2007年,澳大利亚帕克斯射电望远镜首先观测到宇宙出现一种射电爆发,也就是天空中的一个点,突然发出猛烈的射电波,这种电波仅仅持续几毫秒的短暂时间,即使是长爆发,也只能维持2秒多钟。这种信号后来被称为“快速射电暴(FRB)”。

快速射电暴现象就像是宇宙深处存在一个神秘枪手,仅仅射出一束子弹,然后便悄无声息,再也没有动静。这个枪手是谁?它是在什么地方射出子弹的?我们对它的一切都浑然不知。随着观测技术的发展,科学家还发现了重复的快速射电暴,但他们还是搞不清究竟是谁在向外界“射击”。他们还发现,这些奇怪的射电暴基本上都来自银河系之外,似乎有谁在银河系之外对地球“开枪”。

快速射电暴的出现仅有十几年的历史,已经被一次又一次的观测验证。它一出现就引起世人广泛的关注,大大小小的射电望远镜都在努力寻找它的踪迹。为了弥补一般射电望远镜能力的不足,加拿大还专门制作了一种奇怪的射电望远镜,名为“氢强度映射实验望远镜”,也就是“CHIME射电望远镜”。它就像是抛物面槽那样,与大量的观测设备一起,寻找快速射电暴,并取得了很多优异的成果。

脉冲星

中子星合并爆炸

好厉害的磁星

快速射电暴刚被发现时,人们试图解释它的来源。他们首先从地球上寻找原因,认为它是微波炉启动时产生的干扰,或是附近的汽车启动造成的。但这两种说法都被否决了。之后,人们终于相信它确实是来自太空,便开始怀疑这是外星人向地球发出的信号。也有人认为,这是外星文明驱动飞船时,利用激光驱动光帆时产生的现象。而一些严谨的科学家一致认为,快速射电暴一定跟中子星有关。

中子星家族里有一种能够高速旋转的成员,在旋转的时候能够从两极发射出射电波。射电波有不同类型,按照频率由低至高依次排列的话,是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及伽玛射线。中子星家族的这位高速旋转的成员很少能发射伽马射线,多数情况下能发射出无线电波和微波,它被称为“脉冲星”。但是,脉冲星的发射是有规律的,不会突然发射一阵子就结束了。

科学家也想到了磁星,但这也存在一些问题。一般的观测资料表明,磁星虽然也能发出射电辐射,但是它的射电辐射量太低了,与快速射电暴相比,差了好几个数量级,根本不属于同一个层次。但随着观测技术的更新,人们的认识也在发生改变。

2020年3月12日,美国宇航局探测到了一个快速射电暴,并且还找到了它爆发的源头。这个发射者被称作“Swift J1818.0-1607”,它就是一颗年轻的磁星,它发出的是X射线,而且强度是一般射电暴的10倍之多。看来,磁星也能发出高能量的射电暴,快速射电暴的源头应该就是磁星。

好消息接踵而至。2020年4月28日,加拿大的CHIME望远镜和美国的STARE2望远镜,都探测到了来自天空中同一区域的一个快速射电暴信号。细查之后,天文学家发现处于这个位置的居然是磁星SGR 1935+2154。天文学家还发现,它不仅发射正常的X射线,而且还发射无线电波。这次射电暴的能量远远超过了磁星一般的能量水平,这使得科学家开始相信,快速射电暴真的是磁星所为,磁星就是隐藏着的“宇宙枪手”。

同样观测天空的还有中国500米口径球面射电天文望远镜(“中国天眼”)。这个世界上最大口径的射电望远镜也取得了不小的成绩,它不仅观测到了一个名为“FRB 180301”的目标多次发生的快速射电暴,而且还获取了快速射电暴的多种特征数据。

起初,科学家是为了寻找宇宙中的神秘“枪手”,最后竟然发现了宇宙中仅次于黑洞的厉害角色——磁星。磁星的磁场比一般中子星的磁场高上千倍。它在诞生时,可以产生大规模的能量爆发。宇宙中出现一次性的快速射电暴,可能就预示着磁星的诞生。磁场将密度极高的星球紧紧包围,可能会导致星球上地壳的断裂,而断裂会产生巨大的能量输出,这就是磁星上的地震。短期内不断重复的射电暴,可能就是磁星的余震。

2020年11月,世界顶级学术期刊《自然》同期发表了3篇论文,详细地从多个方面报告了加拿大CHIME望远镜、美国STARE2望远镜和“中国天眼”的发现,对以往的认识作了一些解释:如果站在银河系之外观测,银河系内的磁星发出的射电暴,就跟一般的快速射电暴一样。

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