宇宙中的計時神器——脈衝星

講座預告

宇宙中的計時神器

脈衝星

主講：理查德·曼切斯特

時間：2017年6月20日 晚上6:30—8:30

地點：物理樓111報告廳

主辦：中國科學院上海天文台

上海交通大學物理與天文學院

上海市天文學會

承辦：上海交通大學天文協會

本次講座的主題便是有「宇宙中的燈塔」之稱的脈衝星，而帶來這次講座的便是著名天文學家理查德·曼切斯特。

報告人簡介

報告人：

理查德·曼徹斯特

Richard N. (Dick) Manchester

理查德·曼徹斯特(Richard N. (Dick) Manchester)，1964年從坎特伯雷大學獲得（榮譽）學士學位，1969年從澳大利亞的紐斯卡斯爾分校獲得博士學位，主攻方向是對電離層的研究。1968年，他和夫人芭芭拉搬到帕斯克，都在澳大利亞聯邦科學與工業研究院(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization; CSIRO)的射電物理部門工作。1969年至1971年，他在美國國家射電天文台從事博士後工作，隨後，他在美國的馬薩諸塞大學工作了3年。1974年，他們回到CSIRO的射電物理部門，並於1980年至1987年擔任天體物理組的領導。2008年，他從CSIRO退休，仍擔任CSIRO的榮譽院士。

在他的研宄生涯中，他主要關注脈衝星的研究，特別是利用帕克斯望遠鏡搜尋脈衝星。為了探測引力波，他於2003年參與建立帕克斯脈衝星計時陣。他在同行評審期刊上發表過460餘篇科學論文。1978年，他獲得澳大利亞科學院的波西獎章，1989年當選為科學院院士。2003年，他被澳大利亞政府授予百年獎章。他還擔任了多個研究機構的榮譽教授。2001年，他獲得科學信息研究所的引文獎。

報告簡介

脈衝星，誕生於超新星爆作，是正在快速自轉的中子星。現在己知約2600顆脈衝星，幾乎全部位於我們的銀河系裡面。它們像燈塔一樣，發射出的光束周期性地掃過地球，從而能被們探測到。脈衝星的脈衝周期相當穩定，這種特性可以被用於很多有意思的研究，例如系外行星的首次採探測，廣義相對論的檢測和引力波的探測。報告人還將和大家分享下最新的研究進展，例如中國的500米射電望遠鏡FAST、位子澳大利亞和南非的平方千里陣列(SKA)等。

脈衝星小科普

1

發現

1967年10月，劍橋大學卡文迪許實驗室的安東尼·休伊什教授的研究生——24歲的喬絲琳·貝爾檢測射電望遠鏡收到的信號時無意中發現了一些有規律的脈衝信號，它們的周期十分穩定，為1.337秒。由於無法完全證明這個信號是一種完全自然產生的信號，起初她以為這是外星人「小綠人（LGM）」發來的信號，但在接下來不到半年的時間裡，又陸陸續續發現了數個這樣的脈衝信號。後來人們確認這是一類新的天體，並把它命名為脈衝星(Pulsar，由脈動之星pulsating stars複合而成)。脈衝星與類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子一道，並稱為20世紀60年代天文學「四大發現」。安東尼·休伊什教授本人也因脈衝星的發現而榮獲1974年的諾貝爾物理學獎，儘管人們對貝爾小姐未能獲獎而頗有微詞。

2

形成及消亡

脈衝星的形成開始於一顆巨星的核心被壓縮然後超新星爆發後坍縮成了一顆中子星。中子星保留了形成它的恆星的大部分角動量，但是由於其半徑只有原恆星的很小一部分（因此其慣性矩急劇下降），所以它具有非常高的旋轉速度。一束光束輻射沿著隨脈衝星一起旋轉的磁軸方向射出。由於脈衝星發射的電磁輻射由其磁軸方向決定，而磁軸不一定與旋轉軸方向相同，這就導致中子星的每轉動一次，其發射的電磁波束便會掃過一次地球。

脈衝星的原理圖。中間的球體表示中子星，曲線表示磁場線，突出的錐體表示發射光束，綠線表示星轉動的軸線。

在以旋轉為動力的脈衝星中，光束的能量來源於中子星的旋轉。脈衝星通過其非常強的磁場的運動產生電場，導致星球表面上的質子和電子的加速和從磁場的兩級發出的電磁波的產生。隨著能量通過電磁輻射發射出去，脈衝星的旋轉速度逐漸減慢。當脈衝星的旋轉速度被減到足夠的慢時，脈衝星產生輻射的機制被認為將會被關閉（所謂的「死亡線」）。這個關閉似乎會在大約1千萬到1億年之後發生，這意味著在宇宙誕生至今的136億年中誕生的所有中子星中，大約99％不再產生脈衝。

雖然將脈衝星看作快速旋轉的中子星的理論被廣泛接受，但是正如馬克斯·普朗克外星物理研究所的維爾納·貝克爾（Werner Becker）在2006年所說的說：「脈衝星發射輻射的理論還處於起步階段，即使是近四十年工作。」最近又有資料顯示白矮星似乎也有成為脈衝星的可能。

3

應用

地圖

脈衝星地圖已經被應用於先驅者10號和11號上的鍍金鋁板和旅行者1號和2號的黃金唱片上。這幅地圖上通過展示太陽相對於14個用其獨特電磁脈衝周期標記的脈衝星的位置，使得太陽的位置能夠在時間以及空間上被可能存在的外星智能生物所確定。此外，脈衝星定位可以作為航天器的導航系統，或者與衛星導航一起使用。

精準時鐘

雖然一般來說，脈衝星脈衝發射的規律性並不能與原子鐘競爭，然而對於一些毫秒級的脈衝星，其脈衝的周期性甚至比原子鐘更精確。這種穩定性可以被用來構建脈衝星時鐘。

星際介質的探針

來自脈衝星的輻射在到達地球之前穿過星際介質(ISM)，在ISM和H II區溫暖的(8000K)，電離的組成成分中的自由電子會對輻射產生影響，這種影響所造成的脈衝星輻射的變化為ISM提供了一種重要的探索方式。由於星際等離子體的色散性質，低頻無線電波穿越介質的速度慢於高頻無線電波。在頻率範圍內脈衝到達的延遲可以被直接測量，所得到的脈衝星的色散測量就是觀察者和脈衝星逐漸的自由電子的總柱密度。

另外，由於星際氣體湍流所導致的星際介質的密度不均勻性會散射來自脈衝星的無線電波。這種閃爍的無線電波（與可見光下恆星由於地球大氣密度的化所產生的閃爍相同）可被用於重建星際介質在小尺度下變化的信息。由於許多脈衝星具有較高的速度（約幾百km/s)，單個脈衝星會快速的掃描ISM，導致其脈衝的閃爍模式在幾分鐘的時間尺度上發生變化。

探測時空

在Sgr A*（銀河系中心超大質量黑洞）周圍彎曲時空中運行的脈衝星可以作為強場中重力的探測器。脈衝星脈衝的到達時間將會受到狹義和廣義相對論性多普勒平移和穿越黑洞周圍強烈彎曲時空的複雜路徑的影響。為了能夠通過現有儀器驗證廣義相對論的影響，需要軌道周期小於約10年的脈衝星，這樣的脈衝星軌道位於Sgr A* 0.01秒差距內。搜索目前還在進行中，目前已經發現有5顆脈衝星位於距離Sgr A* 100秒差距內。

引力波探測器

目前世界各地有三個聯盟在使用脈衝星來搜索引力波。歐洲的歐洲脈衝星計時陣列(EPTA)，澳大利亞的帕克斯脈衝星計時陣列(PPTA)還有加拿大和美國的北美納赫茲重力波觀測站。三個聯盟共同組成國際脈衝星計時陣列(IPTA)。來自毫秒脈衝星的脈衝被用作構建銀河時鐘系統，時鐘所受到的干擾在地球上是可測量的。當引力波經過時，所產生的擾動將會產生一種特殊的信號，並被檢測到。

講座海報

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