脉冲星不是脉动天体

1968 年 2 月，英国刊物“自然”杂志发表了一条激动人心的消息，以至全世界的报纸都来报道，说是安东尼·休伊什（Antony Hewish）在剑桥领导的一个研究组宣布他们收到了来自宇宙空间的无线电信号。

剑桥启用新型射电望远镜

第二次世界大战结束后，射电天文学蓬勃发展。宇宙气体，特别是恒星之间的星际物质，能在射电波段发出和吸收辐射。宇宙射电辐射能像光线那样穿透地球大气层，能为人们在地球表面接收宇宙信息开辟光线以外的新渠道。它不仅为探查我们这个星系中星际物质的情况提供线索，而且我们还能够接收并研究来自别的星系中气体物质的射电辐射。这种辐射特别强的星系被称为射电星系。

这种射电辐射受到由太阳经行星际空间外流的物质，也就是前一章讲到的太阳风的影响，会产生一种随时间起伏的现象，这有点像地球大气层中的气体使星光闪烁跳动那样。

为了研究由行星际物质引起的这种起伏现象，60 年代在剑桥开始建造一台新型的射电望远镜。在面积 2 公顷，可容纳 57 个网球场的土地上建起了

2000 多面天线。由于要用这个天线阵研究太阳风引起的射电强度的起伏，要求接收装置能够识别射电强度的快速变化。当时的射电望远镜都达不到此要求，故专门设计了这架能发现快速变化的脉冲信号的射电望远镜。因为这座庞大的天线装置不能移动，只有利用各个天区随周日运动依次进入天线视场的现象进行逐条扫描，来观测记录天体的辐射。1967 年 7 月这台设备正式投入使用，开始观测。接收波长约为 3.7 米，射电强度的记录昼夜不停。每星

期观测七个天区的记录纸带长达 210 米。寻找的是本来均匀发射，但由于透过太阳风而“闪烁”的射电源。用望远镜观测且担任繁重记录处理的是博士研究生乔斯琳·贝尔（Jocelyn Bell），她所巡查的是随地球自转而扫过这射电望远镜视场的天体射电强度的快速起伏。

乔斯琳·贝尔的回忆

九年后，乔斯琳·贝尔已是伯内尔（Burnell）夫人，在一次饭后谈话中她回想起当年在剑桥跟休伊什攻读博士学位的情景。她必须仔细查看从自动记录装置送出来的没完没了的纸带并写出汇报。根据前 30 米，她就能将受太阳风影响而闪烁的射电源和来自地球的无线电干扰区分开来。“巡查开始后 6 或 8 个星期，我就发现有时候记录曲线上会出现某种异象，它

既不像一个闪烁射电源，也不像人为的无线电干扰。我还想起来，在同一天区的观测记录上，以前就见过一次这种异象。”贝尔小姐本来打算探究下去，但是由于别的工作而搁了下来。到 1967 年近 10 月底，她才有机会再度寻找这种现象，并且试图用更高的时间分辨率把它记录下来，结果却是踪影全无。直到 11 月底，她才把它又找了回来。

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“记录纸带在笔尖下徐徐移过，我看得出这种信号是由一系列脉冲所组成；我又觉得这些脉冲好像是等时间间隔的，当我从观测仪器中把纸带

一取出来，这种猜测马上就得到证实了。相邻脉冲的时间间隔是11 秒（见

图 8-1）。我马上告诉了在剑桥的托尼·休伊什，他当时认为这种脉冲只能是人为的现象。这在当时的具体条件下还有相当道理。不过我不知怎的总有点不明白，何以见得这不是来自某一星体呢？由于这件事毕竟吸引住了他，第二天，正当该射电源通过望远镜视场的时候，他来到现场并幸运地目睹了那些脉冲。”既然每当同一天区通过望远镜视场，这种信号就会重现，这信号显然不是来自地球。另一方面，脉冲看起来又那样像是人为信号，莫非这是另一个文明世界的人们所发？可是，如果说信号来自围绕另一恒星运转的行星，却又不对①。“将近圣诞节，为了和托尼·休伊什谈谈，我闯入了正在讨论如何公布这件奇事的高级会议会场。我们不敢相信收到的是来自另一文明世界的信号，但这种猜测倒是有过，我们也还没有证明那确是自然界产生的射电辐射。如果有人确信已经在宇宙某处发现了地外生命，那么发现者就面临一个很有意思的问题，就是如何做到认真负责地去公布发现结果，首先应该告诉谁？这天下午我们并没有解决这个问题；我十分困惑地回了家。我本来应当写我的博士论文，可不知从哪里冒出来这些个稀奇小绿人，偏偏挑中了我的天线连同我的观测频率，愣要和我们联络通讯。进了晚餐提了神，我回到实验室又去分析观测纸带。在实验室将关门前，我查看了一处截然不同天区的观测记录。在受到强射电源仙后 A 影响的一个所在天区我又找到了这种异象。我立即去翻寻这一所在天区以前的记录，果然也有所获。这时实验室马上就要关门，我只好走，但我想到，这个天区一清早就要通过望远镜视场，于是几小时后我又奔赴天文台。当时天气严寒，望远镜连同接收机系统内有什么部件冻坏得相当厉害。当然，情况向来如此！可是我照样启动开关，又诅咒又呵气，仪器居然正常运转了足有 5 分钟。就在这关键的 5 分钟间，异象又以一串脉冲

的形式出现，不过这一回的相邻间隔是 1.2 秒。我把观测记录放在托尼的桌上，离开天文台过圣诞假期去了。可又来了更惊人的好运！居然会有两

① 因为如果那样，随着射电源离我们时近时远，辐射传到我们的时刻时早时晚，相邻脉冲的间隔就应该以行星公转一周的时间为周期而富有节奏地变短变长。另一场合的类似现象可见图 10-5。

类小绿人选用同样的难以期望的频率同时和地球这一个行星通讯联系，这种可能性实在太小了。”

过了不久，乔斯琳·贝尔又发现了两颗脉冲星。1968 年 1 月底，宣布发现第一颗脉冲星的第一篇文章向学术刊物“自然”投了稿。乔斯琳·贝尔也就是现在的伯内尔夫人回忆起来：“在文章刊登前几天，托尼·休伊什在剑桥召开了学术报告会宣布发现结果。看来所有在剑桥的天文界人士全都来了，他们兴趣之大和心情的激动使我开始对我们所开创的这场革命深有所感。霍伊尔教授出席了会议，我还记得他的结束评语，开头时他说这是第一次听到发现了这种星体，所以还想得不多，但是他猜测那该是超新星爆发后的残余星体，而不是白矮星。”

由于“自然”周刊的这篇文章中提到，剑桥的天文学家在某一时期也曾考虑过接收到另一文明世界所发信号的可能性，新闻界的报道就抓得特别紧。“当他们发现其中还涉及一位女士，抓得越发紧了。他们让我站着装出查看观测记录纸带的样子，坐着凝视一份虚假记录带，以种种姿态照相。一位记者叫我挥舞双臂，边跑边喊‘瞧，朋友们，我发现啦！’（阿基米德当时就想不到自己忘了做什么！）他们还要我回答一些重要问题，例如问我是比玛格丽特公主高些还是矮些。”

脉冲星是微小天体

最使天文学家惊奇的是脉冲星的辐射变化之迅速。超短周期变星的光变周期有的不足 1 小时，甚至更短。在第 9 章中还要讲述的，1934 年武仙

座新星兼双星中的一颗白矮星，它的亮度以 70 秒为周期有规律地变强变弱。这个快变记录保持了一段时期，后来被脉冲星大幅度地打破。随后几个月的研究表明，探索脉冲星所用的时间分辨率愈高，测得脉冲的精细结构也就显得更清楚，万分之几秒内的射电强度变化也能看出来。

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根据一个脉冲内部强度变化的快慢，可以对脉冲产生区的大小作出某种推断。为简化起见，可以设想有一个球离观测者甚远，用光学望远镜或肉眼看去都只见一个光点（见图 8-3）。如果这个球在极短瞬间内发出一道闪光，遥远的观测者会看到什么？辐射以光速传播。由于从球面不同部位出发的光线所经路程不等，同时发出的光线到达观测者眼睛的时刻也就不同。首先到达观测者眼睛的信号发自球面上离他最近的所在，然后是来自一个环形区的辐射，最后则是历经最长路途，发自星球视圆面边缘的光线。本来发出的是短脉冲，在这位观测者的眼里却成了时间拖长的模糊脉冲，它的延续时间等于光线通过球半径所需的传播时间。但是不仅脉冲如

此，球面亮度发生任何式样的变化都会照样在这段时间中变模糊，这是因为一切信号，不论是使亮度增强的还是减弱的，都不免要发生这种传播路程差。即使辐射产生区不是球面，这种脉冲变模糊现象也会有。

因此，如果测得某辐射源的强度在万分之一秒内有变化，我们就可以断定，该源不可能比光线在这段时间内所走过的路程 30 公里大得多，要不然的话，变化的信号就会因时间拖长而模糊。在一个脉冲中，万分之几秒内就见强度起伏，图 8-2 观测记录上锯齿形起伏的陡翼表明了这点。既然射电辐射以光速传播，结论只能是发出脉冲的天体的直径不能大于几百公里。对比我们往常所熟知的星体，这就显得很小了。白矮星的直径有好几万公里，地球的直径有 13000 公里。脉冲星发出信号送来的信息告诉我们，宇宙中存在着电波发射非常强的微小天体。

发现新脉冲星的报道从世界各地接踵而来。现在人们发现的脉冲星已经有好几百个，它们的周期从百分之几到 4.3 秒不等。虽然脉冲的形状有所变化，但周期极其稳定，即使有时有些脉冲变得难以测出，接之而来的脉冲也是精确地按原先的周期涌现。人们把脉冲作更进一步的分解之后，发现它们具有更精细的结构，如图 8-2 所示。这种强度变化的最快记录是

百万分之 0.8 秒，就是说相应辐射区的直径最多只有 250 米。

早在脉冲星发现的当年，人们就已经测出好些脉冲星的周期在变长，也就是说它们的节奏在变慢。但是相邻脉冲的间隔时间的增长毕竟是个微小数量，平均需要 1 千万年光景才会使一颗脉冲星的周期翻一番。

脉冲星看得见吗

那是什么类型的天体？它们是贴近太阳系呢，还是远得像河外星系那样呢？不难推断，它们是处在我们自己这个银河系的群星之列。我们已经知道，我们所见天上这条带状的银河，是我们这个星系的盘内无数恒星造成的，而银河带内那个看来恒星特别密集的所在，正是我们朝着银河系中心望过去的方向。如果把所有脉冲星按位置画到一张天空分布图上，那么正像我们银河系中的星星那样，它们之中的大多数都是落在银河带天区中

（见图 8-4）。

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这样看来，它们在空间具有和恒星同样的分布：它们就分布在群星之中。也就是说，一些脉冲星所发出的脉冲要经历若干千年的长途奔波才为射电天文学家的望远镜接收下来。如果确是相距如此之遥还能被我们测到，那么这些脉冲星一定是强得惊人的辐射源，而其能量则来自直径也许只有 250 米的小小范围！发现了第一个脉冲星，并以某种精度测得它在天球上的位置后，人们紧接着就用光学望远镜搜索它，结果是在射电指定范围内找到一颗完全正常的恒星。这颗星显然和来自这个方向的射电辐射无

关，脉冲星本身并没有找出来。

1968 年秋，在蟹状星云的方向发现了周期只有 3%秒的脉冲星信号，

就是说，公元 1054 年中国-日本超新星的爆后残云还给人们送来了脉冲星辐射！蟹状星云方向的一批星状天体（见图 7-6 与图 8-5）之中是不是有某一个和脉冲星有关？它们之中是否有一个正是脉冲星？

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一批恒星之中，是否有一个在发出射电脉冲，这是怎样判断的呢？莫非它的光学波段辐射也是脉冲式的？对于这样暗弱的天体，目视观测决不可能区分它的辐射是连续不断地还是脉冲式发射的。用照相方法更是不行，因为那是把一颗星光的作用在底片某处累积起来，而不管它是均匀不变地还是以脉冲的形式射出来。

可见要确定某一恒星的可见光是否脉冲式辐射，需要特殊技术。从原理上来看，不妨在望远镜后面装上一台电视摄影机，并且做成能把光学图象从电视摄影机传送到两处电视屏幕上（见图 8-6）。根据射电脉冲我们已经知道脉冲周期，那么可以做成前半周期在屏幕 A 上，后半周期在屏幕B 上显示出电视图像。如果某天体的可见光以射电脉冲的周期明暗交替变化，那么可以使脉冲总是传到电视屏幕 A 上，而把它不发可见光的无脉冲区段传到屏幕 B 上形成空白点。那些不按交替传像周期发节奏脉冲的光源，就会在 A、B 屏幕上显得一样亮。这样，只要对比一下这两个电视屏幕上的图像，就可以判断，是不是有某一颗星在发着以射电脉冲周期为节奏的脉冲式光信号。

看见了蟹状星云脉冲星

正是用了上述方法，人们找到了它。所用仪器的工作原理不变，不过是在有关天区中对每颗星逐一检查，而不是对比一整张天空图像。不是把待查星的光信号分传到几张电视屏幕上，而是按蟹状星云脉冲星的周期送入几台光子计数器中。这种测试装置的要点可见图 8-7。对上的星如果是平稳发光，装置中所有各计数器记录的光子数就大致相等。对上的星如果是以蟹状星云脉冲星的周期在发射光脉冲，那么在每一周期中只有那些恰好总在脉冲来到时接收信号的计数器才起作用，而其余的计数器则并无反应。如果按上述方式把脉冲星的光在许多倍脉冲周期的一段时间里传送到各计数器上，那么，遇到脉冲而受光的那些计数器显示的数字愈来愈大，而其余的计数器至多只是接收一点微弱的夜天光，记录的数字只会很小。这种情况称为计数装置中有一脉冲在“累加”。

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1968 年 11 月，威廉·约翰·科克(Cocke)和迈克尔·迪斯尼(Disney)

两位年轻天文工作者决定向亚利桑那州图森地区斯蒂沃德天文台的 90 厘米反射望远镜申请三个观测夜。由于两人都还缺乏天文观测经验，想利用这几夜熟悉望远镜。当他们还在思考观测对象时，学术刊物“科学”在 12 月初登出了发现蟹状星云脉冲星的报道，他们就决定把分配到的观测时间用来搜索蟹状星云脉冲星的可见光辐射。正好那时在研究所里就有一台现成的计数装置可用，那是唐纳德·泰勒(Taylor)为了与此毫不相关的用途所制作的。于是他连人带电子仪器作为嫁妆加入了搜索小组的行列。这样，技术方面已经一切就绪；可是搜索计划成功的希望不大。虽然从未有人成功地证实过脉冲星为可见恒星，但科克和迪斯尼的打算是最低限度总可以学一学使用望远镜，至少还可以这样来检验泰勒的电子装置。

1 月初，这套测试设备在基特峰装就。1 月 11 日，诸事齐备，望远镜

首次指向蟹状星云。对每一对象星都测到 5000 倍脉冲星周期以上，同时把光信号按射电脉冲周期传送到若干计数器上。结果，在搜索区内并没有什么星使计数器中累加起一个脉冲来。泰勒在 1 月 12 日回图森去了。于是只有科克与迪斯尼留在山上，另外还有管电子仪器的罗伯特·W·麦卡利斯特(McCallister)帮忙。 1 月 12 日，天气开始变坏，仍旧没有结果。接下来的两个观测夜，也就是分配给这一项目的最后两夜，由于恶劣天气而报销了。事情看来仍无成效。

偶然的良机往往产生深远的影响。1 月 15 日起轮到使用这架望远镜的观测者威廉·G·提夫特(Tifft)为运气不佳的新手又提供了 1 月 15、16 日两夜的机会，使他们能继续试验。下面我援引迪斯尼本人的描述：

“15 日白天有云，但黄昏时云退天晴，20 点正我们开始工作。泰勒还在图森，科克和我轮流操作望远镜，麦卡利斯特管着泰勒的仪器。第一步，我们先试测没有星的天空背景。第二步，我们就把瓦尔特·巴德(Walter Baade)认作蟹状星云中心星的那颗星放入仪器光阑中。才过了 30 秒钟，计数器上就显示出一个清楚的不断增长的脉冲，并且显然在主脉冲后半个周期还出来一个较小的、相当宽而没有主脉冲那样高的次脉冲。这时候，麦卡利斯特平心静气地继续操作着仪器，科克和我却时而欣喜若狂，时而沮丧万分，不能自己。这是脉冲星呢，还是我们碰到了电子仪器的某种干扰？何况脉冲星频率又恰好是美国交流电源频率的一半。可是，测试一再重复，脉冲丰姿就一再重现，气氛更热烈了。20 点 30 分，也就是观测开始后半小时，我打电话通知泰勒。他起先抱怀疑态度，提出要改装电子仪器以消除可能存在的弊病。直到第二个夜晚亲眼看到脉冲累加，他才信服了。22 点 10 分我们打电话告诉了各自的妻子，她们一听就想马上上山来看，好不容易才劝住了她们。1 点 22 分，雾蒙蒙的夜空结束了这场观测。圆顶里三名观测者毫不怀疑，他们幸运地发现了第一颗光学脉冲星。”

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很快就有另外一批观测者来证实这项发现。图 8-8 的两幅图像是按图

8-6 所示的原理得到的。那么右边这幅图像中所缺的脉冲星也就是图 8-5 中心附近两星中的偏下一颗，它的位置用图右边缘和下边缘的记号标出。根据图 8-5 就能在展示蟹状星云全貌的图 7-6 中把脉冲星辨认出来。

什么是脉冲星

脉冲星和超新星爆发有某种联系，这在蟹状星云脉冲星发现后已经明确。看来，发生超新星爆发后，恒星的残余部分就发出脉冲星信号。星空另有一处的气体现象反映从前曾爆发过超新星，而恰好在该处发现了又一颗脉冲星。这桩事也加强了那样的设想。显然，这一事件要追溯到很久以前：船帆星座中这一超新星爆发的年代应该比蟹状星云超新星爆发早得多，因为它抛出的气体物质在天上看来已经不是小小一点，而是布满了一广阔空间范围的许多条纤维状气体丝。这颗脉冲星的周期为 0.09 秒，比蟹状星云脉冲星长。它是已知第三名快速脉冲星。它刚一出现，人们就着手在可见光区寻找它。直到 1977 年，这项搜索才告成功，2 月 9 日“自然” 编辑部收到的这封宣布成功证实船帆脉冲星为某一恒星的投稿信，是由 12

位作者签名的。只要想一想，在此之前的 8 年中除了在英国和澳大利亚工

作的这 12 位获得成功的科学家之外，还有大批天文学家曾动用世界上效能最高的望远镜，搜寻以船帆脉冲星的节律发光的恒星，却都宣告失败，就能体会这场搜捕会战是何等艰巨。还有，曾参加蟹状星云脉冲星观测的迈克·迪斯尼，这次也在成功队伍之列。

用可见光寻找所有别的脉冲星至今一无所获。这使人们形成如下的印象：恒星发生超新星爆发，产生了脉冲星。一开始时脉冲周期比蟹状星云脉冲星还要短。它既发出射电脉冲，也发出光脉冲。随着年代的逝去，脉冲节律逐渐变慢。过了不到 1000 年，周期变长到蟹状星云脉冲星那样，再过许多年变成和船帆脉冲星那样长。随着脉冲周期的变长，它的可见光也同时变得愈来愈暗。后来，它的周期达到了 1 秒以至更长，光学脉冲早已消失，可是射电波段还能测到。因此只有两个周期极短的脉冲星才看得见。两者属最年轻之列，连它们的爆云残烟都还在目。而那些较老的脉冲星早就丧失了它们的可见光辐射。

可是，脉冲星究竟是什么？一颗恒星以巨型爆发结束生命时，剩留的是什么？我们已经知道，产生脉冲星辐射的空间范围一定是非常小的。那么，为了解释脉冲星现象，试问在一很小空间内有哪些过程进行得既快速，重复得又那样精确呢？是像造父变星那种类型的恒星胀缩过程吗？果真是脉动变星的话，那么它们的密度一定非常大，因为只有这样，它们的振荡周期才可能很短。让我们回想一下，造父变星的周期是好些天，而我们在寻觅的天体甚至能在百分之几秒内振荡。即使是我们所知密度最大的

恒星——白矮星，振荡周期也没有那样短。我们不禁要问，是不是还存在着密度更大的恒星，也就是说，密度每立方厘米好几吨的白矮星对比它们如同小巫见大巫的那种星体？

在人们对脉冲星有所知晓前好多年，帕萨迪纳的两位天文学家就曾有过这样的设想。30 年代，德国出生的瓦尔特·巴德在当时世界最大的望远镜旁工作。他可以称得上是本世纪最优秀的实测天文学家之一。这个帕萨迪纳研究组的另一位成员是同样富于想象，并习于争论的瑞士人弗里

茨·慈威基(FritzZwicky)。早在 1934 年，这两位天文学家就已提出，密度极高，物质几乎完全由中子组成的实际恒星是可以想象的。1939 年，物理学家 J·罗伯特·奥本海默和乔治·M·沃尔科夫(GeorgeM.Volkoff)在美国物理刊物“物理评论”上发表了一篇关于中子星的学术论文。不过，远在天体物理学家们认真研究中子星之前，这篇文章的作者之一就已名扬全球，因为奥本海默在美国的原子弹研制中起了主导作用。

经奥本海默和沃尔科夫的研究后，人们了解到，电子和质子全都结合成中子的物质能够形成由本身引力维持不散的恒星类型的气体球。知道了中子物质的特性，就能对这种中子星进行理论计算。计算出来的中子星“恒星模型”表明这种星的密度极高，相当于把太阳的质量挤缩在一个直径为30 公里的球内，每立方厘米包含的中子物质有几十亿吨之巨（见图 8-9）。如果能让中子星振荡起来，那么它们的频率应该比脉冲星快得多。所以，要问是什么原因使脉冲星那样规律地掌握时间，形成了脉冲星的周期，那么中子星的振荡也决非答案。

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这样，我们又兜回原地来了。寻觅了一番可能振荡得极快的高密态恒星类型的天体，我们发现，白矮星太慢，而设想中的中子星却太快了。

托马斯·戈尔德解释脉冲星

天文界的同行们称他为汤米(Tommy)。他出生在奥地利，1938 年希特勒军队开进去以前避难于英国。他在英国学习，和同时避难于英国的赫尔曼·邦迪(HermannBondi)以及弗雷德·霍伊尔一起工作了一段时期，然后去美国。发现脉冲星的新闻传遍世界的那些天，他正执教于纽约州伊萨卡的康奈尔大学。当时大批的，多数是企图挽救脉动假说的，草草出笼的理论解释文章正充斥各种学术刊物，汤米·戈尔德的思考却转到另一方向。

天上各种规律性最强的周期过程中还包含天体的转动。太阳每 27 天绕本身的轴转动一周，有的恒星自转远比这快得多。可以问，脉冲星那样规律性的周期是否可能和一种自转过程有某些关系？这就是设想一个天体要在一秒内绕本身轴自转一周，对蟹状星云脉冲星来说甚至要自转 30 周。但是恒星自转的快速程度并非没有限度，转速太急会被离心力撕裂。

只有那些表面重力非常巨大的恒星才能绕本身轴急速自转。白矮星最快大约每秒能转一周，如果叫它以蟹状星云脉冲星的周期去急转，离心力早就把它撕碎了。只有密度更大的恒星才能转得更急速。

再来看中子星，脉冲星周期现象的时间控制因素会不会就是中子星的自转，也就是，一颗中子星能不能在几分之一秒内绕轴自转一周？这完全可能，它的重力足够强大，哪怕要它转得远比这样还快得多也行。

天体物理界人士目前都公认汤米·戈尔德把脉冲星解释为自转中子星的假说是最合理的。此外，脉冲星周期的逐渐变长就使人推想，中子星的自转会随着时间的推移而变慢。这看来很合乎道理，因为照此说法脉冲星所放出的射电和可见光辐射能的源泉也许就在于中子星的自转能。那么，光是放出辐射这件事看来就足以使中子星的自转逐渐慢下来，但是这种减慢作用的威力还不止于此。

据估算，蟹状星云脉冲星变慢所不断释放出来的自转能，不仅维持着脉冲星的辐射，甚至还担负着整个星云发光的消耗。这一结果还帮助我们去解决另一个难题。

普通气体星云，像图 7-5 的行星状星云或图 12-1 的猎户星云的光是由原子所发射的，蟹状星云发光的原因则完全不同。蟹状星云中的电子运动得几乎和光线一样快，它们在超新星爆发时获得了极高的速度。这些电子在星云的磁场中被迫沿圆形轨道运动，并以光线的形式把能量发射出来。曾经有个难题是，公元 1054 年以来，这么多年了，这些电子为什么还是运动得那样快？既然发射能量，它们为什么没有慢下来？照说它们的辐射应该愈来愈弱，蟹状星云的亮度愈来愈暗。显然它们应该是从某处得到了补充的能量。现在我们已经找到了这个能源。如果汤米·戈尔德的理论正确，蟹状星云中的自转中子星可能通过它的磁场把能量输送给附近的气体。中子星在星云中就像一根搅拌棒在使劲搅动，使电子保持其速度，使蟹状星云不失其光辉。这个中子星的自转能还够用几千年。

虽然我们已经找到了一种至少能解释脉冲星规律性时间变化的作用过程，但是我们还不明白，其中的射电辐射究竟是怎样产生的。因为接收到的不是普通波形，而是在一个周期的绝大部分时间中空缺，随之又在极短时间内集中了极多能量的脉冲式辐射，那么只能设想，星体沿某特定方向发出辐射，自转使它那探照灯般的光束按一定的时间间隔一次又一次地扫到我们这里，就像一座灯塔发出旋转的光扫到一只船上那样。

中子星可能类似于我们地球，具有磁场，只是远比地球强得多，在讲X 射线星的第 10 章里我们还要谈这个问题。假定磁轴与自转轴并不一致，地球也正是这样，中子星自转时，带动其磁场一起转。不妨这样设想（见图 8-10）：中子在自转磁化中子星的表面变成电子和质子，表面的强电场使带电质点抛离中子星。这些粒子沿磁力线飞向空中，它们的能量足以使蟹状星云在它诞生后千余载的今天还在发光。由于带电粒子横穿磁力线特

别费劲，它们大多数都在磁极区离开中子星，沿着弯曲的磁力线以巨大的速度向外飞去。图 8-10 就示意这种情况。飞离中子星的粒子之中最轻的是电子，运动速度也最快，大致接近光速。电子以这样的高速沿曲线轨道飞行时要发射出能量，这种能量不是均匀地发往四面八方，而是高度集中在电子的飞行方向。这就意味着，辐射离开中子星往外传播的方向就是中子星磁力线的指向，所以它是在两个锥状的空间区域中发射出去的。因为磁场跟随中子星转，两个辐射锥也转。从一位远方的观测者看去，只有当他被两锥之一扫到时才能接收到辐射。从他那里看起来，中子星在按它的自转周期等间隔地闪亮。在这样一幅当代天体物理界许多人士认为基本正确的设想图中，我们被沿着中子星两极磁力线方向发出的辐射打中，正像被一座灯塔的旋转光柱扫到一样。

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尚待解决的若干问题

1969 年春，两处天文台各自发现，有一颗脉冲星缩短了相邻脉冲的时间间隔，中断了脉冲周期缓缓变长的进程，此后又恢复到和以前相等的状态（见图 8-11）。既然我们已经了解，脉冲星是自转中子星，受到周围介质的阻尼作用而变慢，那么，它为什么又会突然变快呢？

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这种变化的形式是突然颤动。核物理学家比天体物理学家更善于和中子打交道，他们认为，中子星表面已形成硬壳，而这部分物质在超新星爆发所留下的中子星的冷却过程中有时会像土块那样散裂。在这种情况下，如果中子星再稍为收缩，它的自转速度就变快。这就是已经记录到好多次的周期突然变短的解释吗？地壳内的较大变动会引起地球自转周期也就是一天长度的变化。我们是不是观测到了脉冲星的类似现象？周期突变是在告诉我们中子星星震的信息吗？

1974 年，罗素·A·赫尔斯(RussellA.Hulse)和约瑟夫·H·泰勒(JosephH.Taylor)发现了一个新脉冲星，它的周期（59 毫秒）之快当时仅次于蟹状星云脉冲星，而名列第二，但至关紧要的还不是这点。它的脉冲间隔显然不等，而是相互挤紧一些，然后又相互分开，每天如此反复三周。这种现象的示意情况可见图 10-4，那是另一场合，因为它对那里所讲的 X 射线源具有更重要的作用。本书在该处还说明，当一个脉冲源绕另一天体运转，信号传到我们这里所经路程会时而偏长，时而偏短这种现象（还请参阅图 10-5）。这样看来，赫尔斯-泰勒脉冲星是在绕着另一星体运转！可是至今还没有任何人能在这一位置确认出一颗光学星体来。这并不奇怪，因为这一脉冲星的轨道太窄小，给这未知天体留出的地盘简直说不上来。它不能是一颗正常的主序星，那实在是太大了，更不用考虑什么巨星

或超巨星。和这颗脉冲星组成双星的另一颗星体也许是白矮星或者中子星？如果是后者，那么又为什么该中子星并没有成为另一脉冲星？这时，人们已经在四对双星中发现了脉冲星，其中两对可能都是包含一颗主序星，它看来很好地经住了其伴星在变为脉冲星前的超新星爆发。

读者可能还会记得，休伊什的研究组发现了第一颗脉冲星后，没有把小绿人作为信号来源，是因为相邻脉冲的时间间隔并没有周期性变化（参阅第 123 页脚注）。几百个脉冲星也都是这样，有一批脉冲星的信号则来

自围绕另一星体运转的天体。如果 1968 年宣布发现的第一颗脉冲星是双星的成员，剑桥当时的兴奋激动又会达到何等的地步呢！

最近 10 年来，实测天文学的一个新领域取得了很大的进展，这就是γ射线天文学。γ射线是波长极短的辐射，其光子的波长比短波 X 射线还要短。这种辐射的能量极高，每个γ光子的能量约为可见光光子的 100 万倍。γ射线和 X 射线一样，都不能从外层空间穿透大气层达到我们这里，因此只有在开展了用火箭和卫星对宇宙的观测后，人们才对来自宇宙的γ 射线有所了解。天文学的这一分支至今所取得的惊人结果之一，是有一批脉冲星在发射γ射线脉冲。既然γ射线具有巨大能量，看起来似乎脉冲星现象中的γ射线是主流，而吸引人们进入脉冲星王国的射电辐射却不过是微不足道的支流，也许就像爆炸事件中的响声只是无关紧要的枝节现象那样。γ射线脉冲的周期和射电脉冲一致，但并不和后者重合。我们对脉冲星的γ射线现象仍不理解。

目前，脉冲星还有另一方面使天文学家不安。根据已经发现的那么多脉冲星可以估计，我们银河系中现在处于活跃阶段的脉冲星总数应该大约有 100 万之多。另外，几十年来我们在进行着遥远星系的巡天观测，以了解彼处每世纪平均发生多少次超新星爆发。这样我们就可以估计，我们银河系中最近期间产生了多少中子星。目前的情况是，超新星爆发的次数似乎远不足以产生空间中那么大量的脉冲星。这会不会是一种迹象，反映脉冲星还可能以别的方式形成？或许它们之中有的并非由于恒星爆炸，而是通过某种并不那样惊人的途径，在一定程度上的以某种和平方式诞生的。 1982 年 11 月，一个激动人心的新闻传遍了天文界，说是有 5 位射电

天文学家用波多黎各岛的射电望远镜新发现一个脉冲星，打破了蟹状星云脉冲星的快速记录。它每秒钟给我们发来 642 个脉冲。就是说，那个中子

星每秒自转 600 周以上。中子星表面的重力真是巨大，转得那样急竟没有溃散。

后来在一次访问中，贝尔-伯内尔夫人说，一位不愿透露姓名的射电天文学家曾向她承认，在第一个脉冲星发现以前，他曾观测到猎户星座中有一个脉冲星，而该处正是我们现在知道的一个脉冲星的方向。他的自动记录仪指针以等间距的节奏颤动着，于是他脚踩仪器，颤动消失。随之消失的可能还有一笔诺贝尔奖金。实际上后来托尼·休伊什由于他领导的研

究组发现并研究了脉冲星而获得了 1974 年度物理学诺贝尔奖。发现是重大的，取名则不当，脉冲星并不脉动。当人们取这名称时，还以为它们是像造父变星那样来回胀缩的星体，现在我们理解到，它们是自转中子星，只不过取的名称已经挂在它们头上成为既定事实。可是我们能不能从根本上肯定汤米·戈尔德是正确的呢？确实存在中子星吗？直到发现 X 射线星之前，天体物理学家思想上总还有一缕疑云未散。要问那种天体又是什么，请参阅本书第 10 章。