科學家剛剛發現的「白矮脈衝星」究竟是什麼星？

熾熱發白的白矮星（圖片來源：https://www.spaceanswers.com/deep-space/five-amazing-facts-about-white-dwarfs/）

對於很多讀者尤其是喜歡天文的讀者而言，「脈衝星」與「白矮星」都是比較熟悉的概念。脈衝星與白矮星都是恆星死亡後的產物，都具有非常高的密度。那麼，科學家近期發現的「白矮脈衝星」又是什麼？它們本質上是白矮星還是脈衝星？它們是怎麼產生的？

這是賽先生2017科普創作協同行動的第4篇文章。

撰文：王善欽（加州大學伯克利分校天文系）

審校：張雙南（中國科學院高能物理研究所）

高溫而黯淡的白矮星

白矮星為什麼被稱為「白矮星」？因為它們又白又矮。它們溫度高，因此顏色是白的；它們亮度很低，因此被稱為「矮星」。星體溫度越高，亮度越大；星體表面積越大，亮度也越大。白矮星的溫度很高，那麼它們理應很亮，但事實上它們很暗。這又是為什麼呢？這是因為：它們的表面積太小了。

因為表面積小，所以半徑也就小，體積也就小，它們的體積與地球差不多。既然如此，它們應該很輕了吧？並不是。它們其實很重，大約有一個太陽那麼重，因此有幾百萬個地球那麼重。由於它們的體積和地球差不多，所以白矮星的密度是地球密度的幾百萬倍，只要一根小指頭那麼大，就有上萬斤。

白矮星是怎麼來的？從與太陽差不多大的那些恆星，到質量低於8個太陽的恆星，它們在燒完星體中心可以燃燒的氫之後，就會點燃核心的氦，在中心燒出碳和氧，最後，它們的中心收縮為一顆碳和氧為主的白矮星。還有一些質量很低的恆星，中心燒出氦之後，因為溫度不夠高，無法燒出碳和氧，它們就形成了氦為主的白矮星。

宇宙中一些碳氧白矮星就是一顆顆巨大的鑽石。我們的太陽在幾十億年以後就會在中心形成一顆碳氧白矮星。這些巨大的鑽石有地球那麼大，但有太陽那麼重。當然，氦白矮星沒有這份「榮耀」，因為鑽石的化學成分是碳。

圖1. 碳氧白矮星（右）與地球（左）差不多大小，就像一個巨大的鑽石。（圖片來源：Youtube視頻Giant Planet Sized Diamond Found Floating in Space截圖）

第一顆白矮星於1910年被Russell、Pickering與Fleming通過光譜分析正式確認。天文學史上最著名的白矮星是天狼星A的伴星——天狼星B，圖2為哈勃太空望遠鏡拍攝出的天狼星A與B的圖像。

圖2. 天狼星A與B的圖像，箭頭所指為白矮星——天狼星B（圖片來源：NASA/ESA）

白矮星的質量不可以無限大，絕大多數白矮星的質量不會超過1.4太陽質量，除非有快速的旋轉或者強烈的磁場。這個質量最大值被稱為「錢德拉錫卡極限」，因為錢德拉錫卡首先計算出大概的數值。兩顆與太陽差不多質量的白矮星撞擊，或者一顆白矮星吸取了過量的物質，都會導致質量超過這個極限，進而導致猛烈的核聚變爆炸（熱核爆炸），形成熱核爆炸超新星，其光譜型被稱為「Ia型」，所以也被稱為Ia型超新星，公元1006年被觀測到的著名超新星就是這麼爆炸而來的。

中子星與脈衝星

1932年，Chadwick在試驗中發現了中子。不久後，Landau提出，宇宙中有一種星體幾乎完全由中子組成，這就是中子星。1934年，Baade與Zwicky提出，超新星爆發後會留下中子星。

要想讓星體成為中子星，就要求組成星體的原子中的電子必須被壓入原子核中，與原子核中的質子結合為中子，這樣，整個星體就幾乎全是中子。當星體被壓縮到這種程度時，它的密度就可以與原子核密度相提並論。一個太陽那麼大的星體，如果被壓縮為一個中子星，它的半徑就只有大約10公里。那麼它的密度不僅比普通物質高得多，也比白矮星的密度高得多。

在中子星的概念被提出之後的40多年間，大多數天文學家不相信宇宙中有中子星，這期間，最重要的理論工作就是：奧本海默（原子彈之父）與合作者研究了中子星的性質，斷定中子星有一個最大質量，這個最大質量被稱為「奧本海默極限」。後來的學者修正了這個研究結果，斷定這個極限質量大約是2到3個太陽質量。

1967年11月28日，Hewish的研究生Bell在監測Hewish與Ryle建立的射電望遠鏡陣列接受的輻射信號時，發現了一個周期性變化的信號，就像脈搏跳動一樣，周期為1.33秒。

儘管二人一開始開玩笑地認為這是傳說中的「外星人（小綠人，little green men，LGM）」發出的信號，但在1968年的一期《自然》（Nature）雜誌發表的論文中，他們依然嚴肅地猜測這可能是白矮星或者中子星的閃爍輻射。同年，Gold在下一期的《自然》雜誌用中子星的「燈塔模型」解釋了這個信號，這個源也被命名為「脈衝星」。因此，這是第一顆被發現的脈衝星，也自然是第一個被發現的中子星。

圖3. Bell記錄下的第一個射電脈衝信號，橫坐標跨度為20秒，脈衝信號（凹陷處）周期為1.33秒（圖片來源：Mullard Radio Astronomy Observatory）

什麼是「燈塔模型」？在理解這個模型前，先從我們在初中時就知道的一個事實談起：地球的自轉軸（地理的南北極所在的軸線）與地球的磁軸（磁場南北極所在的軸線）不重合，有一個磁偏角。

中子星也類似，也有磁偏角，這導致其磁軸不斷移動（圖4），使得輻射並不對準一個方向而是沿著磁極方向發出的，地球上的觀測者每隔一個時期接受到這個中子星的輻射，因為是周期性地收到輻射，因此將其命名為「脈衝星」。這就如海島上的燈塔中的燈在旋轉，海面上的船隻會周期性地接收到燈塔發出的光。因此，這個模型被稱為「燈塔模型」。

圖4. 中子星的燈塔模型可以解釋脈衝星（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar）

從此人們就認定宇宙中存在中子星。今年恰好是中子星被發現50周年。1974年，Hewish與Ryle分享了諾貝爾物理學獎，Hewish的獲獎理由是「在發現脈衝星時的決定性作用」。（注1）

簡單說，脈衝星就是快速轉動的中子星。它們的磁場非常強，因此會沿著磁軸方向發出大量輻射，同時轉動變慢。在這個過程中，將自轉能轉化為輻射。如果它們的輻射周期性地掃過地球，因而被地球上的望遠鏡或者地球上空的衛星觀測到，它們就被人類稱為「脈衝星」。

因此，「脈衝星」這個叫法本身並不能體現出這些天體的本質，它們本質上其實是中子星。（注2）如果有些中子星的輻射始終沒有朝向地球，但通過其他方式被人類發現，那就只能被稱為「中子星」，而不能被稱為「脈衝星」。

質量是太陽8倍以上的恆星，有一大部分最後會爆炸為超新星，這樣的超新星，大多數會留下中子星。例如，公元1054年被觀測到的超新星，爆炸後就在中心留下了中子星，它發出的輻射照亮了它的遺迹（蟹狀星雲），如圖5。由於中子星自身極小，因此在圖中無法被看到。

圖5. 蟹狀星雲中心的中子星的輻射照亮了蟹狀星雲（圖片來源：NASA/ESA）

白矮脈衝星：白矮星中的戰鬥機

在我們理解了中子星與脈衝星的關係之後，我們就可以看看白矮星與白矮脈衝星的關係了。

當白矮星也有強大磁場，且也有磁偏角時，它發出輻射的行為，也會像（中子）脈衝星一樣。可見，白矮脈衝星就是「輻射行為像（中子）脈衝星的白矮星」。此前人類發現了大量白矮星，但沒有一顆具有這樣的行為，因此都被認定為普通的白矮星。

現在，人們首次發現了白矮脈衝星，它們就如同白矮星中的戰鬥機。因此，從現在開始，我們可以將脈衝星細分為「中子脈衝星」與「白矮脈衝星」，前者就是我們熟悉的「脈衝星」。不過，現在沒有如此嚴格區分命名，這是因為「中子脈衝星」在過去50年中已經被大量發現，而「白矮脈衝星」只是首次被發現。

如果從一開始發現的「白矮脈衝星」就和「中子脈衝星」一樣多，那麼這兩個概念就是平等的概念，「脈衝星」這個稱呼也不會被「中子脈衝星」所獨佔了。

就如我們平時一說愛因斯坦，指的是阿爾伯特·愛因斯坦，而提到他的大兒子漢斯·愛因斯坦時，必然要稱呼完整的姓名。如果父子倆一樣有名，我們還真的要區分「阿爾伯特·愛因斯坦」和「漢斯·愛因斯坦」，至少也得是「老愛因斯坦」與「小愛因斯坦」。

第一個被發現的白矮脈衝星

白矮星在一百多年前就已被發現，但「白矮脈衝星」卻直到去年才被發現。今年1月23日，發現「白矮脈衝星」的相關的研究論文正式在《自然·天文》（Nature Astronomy）出版，作者分別是Buckley（南非天文台），Meintjes（南非自由州大學物理系），Potter（南非天文台），Marsh（英國華威大學物理學）與G?nsicke（英國華威大學物理學）。我們來看看這個「白矮脈衝星」是怎麼被發現的，有什麼特點。

首先，在天蠍座方向、距離地球380光年的地方有一個變星，它被命名為「AR Scorpii」，簡稱為「AR Sco」。這個變星的亮度變化的周期是1.97分鐘，約等於2分鐘。每隔2分鐘，這個變星從紫外到射電的各個波段都出現一次變化。

其次，Buckley等人仔細研究了AR Sco的亮度變化行為，斷定它由兩個天體組成，即，這是一個雙星系統，這個雙星系統的兩顆星的距離為140萬公里，是地球-月亮平均距離（約38萬公里）的近4倍，不到地球與太陽距離的百分之一。由於星體距離非常近，這顆雙星系統圍繞共同中心公轉的周期大約是3個半小時。

然後，Buckley等人推斷出，這個雙星系統中的一個星體是一個「紅矮星」，質量是太陽的0.3倍。正是這顆紅矮星的亮度變化，導致AR Sco的亮度變化。

那麼，是什麼導致這個紅矮星的亮度出現這樣的變化呢？Buckley等人推斷出，這個雙星系統的另一顆星體是一顆「白矮脈衝星」（好了，終於到重點了！），這顆白矮星的質量是太陽的0.8倍，是伴星質量的近3倍。這顆白矮星的自轉周期是2分鐘。

Buckley等人認為，這個白矮脈衝星（白矮星）的轉動周期在增加（轉動速度在減小），每隔10萬年轉動周期增加1秒多。這導致其轉動能減少。由於能量守恆，損失的轉動能必須有一個去處，這個去處就是變為強烈的輻射。

這顆白矮星輻射的亮度約為太陽亮度的0.4倍，但卻是其伴星（紅矮星）亮度的十幾倍。由於存在磁偏角，所以輻射方向周期性變化，每隔2分鐘掃中紅矮星一次，導致紅矮星急劇變亮，輻射離開後，紅矮星亮度降低。以兩分鐘為周期，不斷變亮變暗。

圖6. 白矮星的輻射周期性地掃過伴星（紅矮星）（圖片來源：華威大學（University of Warwick））

因此，Buckley等人是通過紅矮星亮度的周期性變化，間接確定出有這麼一個白矮脈衝星（白矮星），而不是直接接收到它的輻射。這與50年前Bell發現「（中子）脈衝星」的情況是不一樣的，上面說過，「（中子）脈衝星」的射電輻射是被射電望遠鏡直接接收到的。

白矮星與一個氣態的恆星組成雙星系統時，經常會從氣態伴星那裡竊取（「吸積」）物質。作者們根據光譜特徵和X射線亮度，推斷出，這個白矮星沒有或者幾乎沒有這種竊取行為，它反過來將自己發出的輻射送給了伴星。

總結

白矮脈衝星本質就是一個白矮星。由於轉動變慢，它將其轉動能轉化為輻射。由於存在磁偏角，所以它的輻射周期性掃中它的伴星，導致伴星亮度出現周期性的強烈變化。

我們甚至可以很合理地推測，之前發現的大量白矮星中，有一部分的性質與這次發現的星體性質很類似，只不過它們的輻射沒有掃中合適的伴星並使後者出現劇烈變化，因此無法確認出它們「類似於脈衝星」的性質。

而這次，Buckley等人很幸運地通過一個雙星系統構成的變星，發現了這樣一顆奇特的星體，它像人們熟悉的「（中子）脈衝星」一樣發出輻射，因此被命名為「白矮脈衝星」。但正如「（中子）脈衝星」本質上是中子星一樣，「白矮脈衝星」本質上就是白矮星，並不特別神秘。有時候，（中子）脈衝星會與白矮星形成雙星系統，圖7為此類系統的藝術想像圖。左邊體積較小的是（中子）脈衝星會，右邊體積較大的是白矮星。要注意，二者的比例並沒有按照真實比例畫出，因為中子星的半徑就10公里，而白矮星的半徑有幾千公里，如果照著比例精確畫出，二者的大小差距將大得多。

圖7. （中子）脈衝星與普通白矮星組成的雙星系統個藝術想像圖（圖片來源：B. Saxton（NRAO/AUI/NSF））

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