脉冲星和中子星/脉冲星发现史
大约在 1910 年,一颗白矮星,天狼星 B,被证明具有与我们的太阳相似的质量。从其已知的距离和光度来看,很明显这颗恒星一定非常致密,而且在当时看来是不可思议的。1931 年,钱德拉塞卡证明,任何白矮星都不能超过一个极限质量——大约 1.4 个太阳质量。
卢瑟福首先提出原子核由带正电的质子和带中性电荷的粒子组成。1932 年,查德威克发现了中子,几年后,巴德和兹威基(1934 年)以及钱德拉塞卡(1935 年)表明,一个 1.4 个太阳质量天体的收缩只会因简并中子气体施加的内部压力而停止。他们将由此产生的稳定恒星称为中子星,并推测这种恒星是在超新星爆发期间形成的。当时,人们认为中子星太暗淡,无法探测到。帕奇尼(1967 年)和戈德(1968 年)描述了中子星的半径约为 10 公里,表面磁场强度约为 ~1012高斯。他们注意到,如果这颗恒星在自转,那么由于强磁场,它会发射电磁波。
1967 年 4 月,什克洛夫斯基报道了一项关于天蝎座 XR-1 的研究。
By all its characteristics this model, obtained only from the analysis of the data of observations without any a priori hypothesis about the nature of the source, corresponds to a neutron star in a state of accretion.
就在这一年,第一个脉冲星也被探测到。
第一个脉冲星是 1967 年由乔斯林·贝尔·伯奈尔发现的,并由 休伊什等人(1967 年)发表。他们的论文的摘要如下:
Unusual signals from pulsating radio sources have been recorded at the Mullard Radio Astronomy Observatory. The radiation seems to come from local objects within the galaxy, and may be associated with oscillations of white dwarf or neutron stars.
这个第一个发现有两个有趣的转折。在 20 世纪 50 年代后期,一位访客(没有专业的天文学训练)使用芝加哥大学的光学望远镜观测了蟹状星云。她向当地的一位天文学家指出,她看到一个闪烁的光源,但她的观察被简单地视为“闪烁”而被忽视。也许她实际上是在观察蟹状星云脉冲星的光学脉冲。第二个转折是在 2007 年蒙特利尔的一次会议上提出来的。在这次会议上,查尔斯·西斯勒描述了他如何在美国阿拉斯加的一个偏远前哨担任美国空军中士[1]。在这次会议上,他拿出了 1967 年的笔记,这些笔记显示,他的军用雷达设备探测到了蟹状星云中的脉冲星。然而,直到很久以后他才了解到他所看到的究竟是什么。
1974 年的诺贝尔物理学奖颁发给了安东尼·休伊什,“表彰他在脉冲星发现中作出的决定性贡献”。
到 1968 年底,总共发现了 21 颗脉冲星。这些包括蟹状星云脉冲星 (科梅拉等人 1969 年) 和船帆座脉冲星(拉奇、沃恩和米尔斯 1968 年)。发现不断涌现。到 1973 年底,人们已经发现了 100 多颗脉冲星。其中大多数是通过莫朗格洛、乔德雷尔班克和格林班克望远镜进行的大型巡天发现的。1974 年和 1975 年,阿雷西博望远镜被用来发现了 40 颗新脉冲星。这些样本包括第一个双星脉冲星 PSR B1913+16(J1915+1606)(霍尔斯和泰勒 1975 年)。这颗脉冲星的轨道周期为 0.3 天,对这颗脉冲星的观测导致了对广义相对论的检验,并证实了引力波的存在。1993 年的诺贝尔物理学奖颁发给了霍尔斯和泰勒。
for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation
脉冲星的发现仍在继续。在 1982 年之前,总共发现了 326 颗脉冲星。这些样本包括三个双星脉冲星,以及 PSR J0525-6607 和 J2301+5852,它们是无法用射电望远镜探测到的脉冲星(现在被称为反常 X 射线脉冲星;AXPs)。截至该日期,周期最短的脉冲星是蟹状星云脉冲星,它很年轻,脉冲周期为 33 毫秒。在 20 世纪 70 年代,射电源 4C21.53 一直是一个谜。行星际闪烁暗示它是一个致密的射电源,很可能是一个脉冲星,但阿雷西博对该区域的巡天没有发现任何这样的脉冲星。贝克等人意识到,这个源仍然可能是一个脉冲星,但它的脉冲速率比早期巡天中探测到的要快。通过对阿雷西博进行更敏感的、对快速脉冲星更敏感的观测,他们获得了成功,并在 1982 年 11 月报告了第一个毫秒脉冲星,其脉冲周期为 1.6 毫秒。这个脉冲速率远快于任何已知的脉冲星。到 20 世纪 80 年代末,人们已经发现了 450 多颗脉冲星,其中 7 颗的周期小于 10 毫秒。
1987 年,第一个球状星团(M28)中的脉冲星 B1821-24A(J1824-2452A)被发现,紧随其后(在 1988 年和 1989 年)是另外四个球状星团脉冲星(在 M4、M5 和 NGC6440 中)。1983 年,第一个河外脉冲星 PSR B0529-66(J0529-6652)在大麦哲伦星云中被发现。
20 世纪 90 年代,又发现了 300 多颗脉冲星。这些脉冲星包括沃尔兹钱等人发现的 PSR B1237+12(J1300+1240),这导致了第一个太阳系外行星的发现,以及在球状星团 47 船尾座中发现了 12 颗脉冲星,以及 41 颗双星脉冲星,包括 PSR J0437-4715,它是最亮的毫秒脉冲星 (约翰斯顿等人 1993 年)。在 90 年代末,在帕克斯天文台安装了多波束接收器系统,这导致了帕克斯多波束脉冲星巡天,发现了 800 多颗脉冲星。多波束接收器也用于帕克斯高纬度巡天,该巡天在 2003 年发现了 PSR J0737-3039A,它是迄今为止最相对论的脉冲星,也是第一个被发现绕另一个可探测脉冲星(PSR J0737-3039B)运行的脉冲星。
杨、曼彻斯特和约翰斯顿(2000 年)报道了一个周期为 8 秒的射电脉冲星。第一个双脉冲星系统是由 莱恩等人(2004 年)报道的。兰索姆等人(2005 年)在球状星团 Terzan 5 中报道了 21 颗毫秒脉冲星。这个星团也导致了迄今为止自转最快的脉冲星的发现 (赫塞尔斯等人 2006 年)。兰索姆等人(2014 年)报道了在一个三星系统中发现了一个毫秒脉冲星。
脉冲星巡天也导致了意外的发现。例如,对 2001 年帕克斯射电望远镜拍摄的档案数据的重新处理,导致探测到一个明亮的(30 焦耳)弥散射电爆发(洛里默等人)。这种爆发现在被称为快速射电暴(FRB),其起源仍然未知。
大多数脉冲星搜索都基于寻找脉冲发射。但是,人们也使用射电连续谱图像来搜索脉冲星。例如,德布鲁克通过寻找超陡谱射电源来搜索高红移射电星系,并注意到最陡的源是极好的银河脉冲星候选者)。阿夫拉缅科、伊利亚索夫和波塔波夫(2000 年)在关于脉冲星的讨论中也提到了这种搜索。
当然,并非所有脉冲星巡天都取得了成功,有些方法目前对于现有的望远镜来说是不切实际的。例如,莫勒拉奇和鲁莱特(1997 年)考虑了在微透镜巡天中寻找脉冲星的可能性。人们也多次尝试在银河系中心附近(例如,参见 [2])或在特定的超新星遗迹(例如 SNR1987A;参见 志贺山等人 1987 年 和 柯蒂斯、肯尼尔、福勒 1987 年)中寻找脉冲星。爱德华兹、范斯特拉滕和贝勒斯(2001 年)在球状星团中没有成功地寻找亚毫秒脉冲星。巴特等人(2011 年)未能找到任何脉冲星或瞬变源在 M33 中。对脉冲星的种群研究表明,在我们银河系中可能探测到的脉冲星超过 105 个。随着新一代望远镜的出现,我们也将能够在遥远的星系中找到脉冲星。还有很多脉冲星等待发现!