1. 邂逅脉冲星

第二次世界大战以后，成熟的雷达技术用于天文观测，人们借此试图寻找外星人。1967年8月6日剑桥大学的研究生乔瑟琳·贝尔进行日常的观测数据记录。往常的数据都是很稳定的，但是她这次发现观测数据呈现周期性的“心跳”（图1）。顿时她惊喜万分，她认为自己可能找到外星人的信号了，并把它命名为“小绿人”。后来人们才意识到，这是宇宙中一类特殊的天体-脉冲星的辐射信号，脉冲星的发现成为20世纪60年代天文学的四大发现之一。贝尔的导师休伊什教授也因此获得诺贝尔物理学奖。休伊什教授在发现脉冲星之前一直都在从事行星际闪烁的观测研究，所谓的“一鸣惊人”，只不过是“蛰伏许久，厚积待发”。贝尔本人虽然错过了诺贝尔奖，但她也获得“脉冲星之母”的称号以及很多重要的奖项。因此，我们可以明白，任何美丽的“邂逅”，都离不开孜孜不倦的坚持，机遇总是留给有准备的人。

图1脉冲星PSR 1919+21的首次的记录

我们来进一步揭开脉冲星的“神秘面纱”吧。脉冲星是快速自旋和高度磁化的中子星，具有辐射强、密度大、磁场强、自转速度快等特点。脉冲星的平均辐射能量为太阳的百万倍。中子星是宇宙中密度最大的天体之一，如果从中子星上挖出一块乒乓球大小的球，它的重量就超过了10亿吨。中子星的磁场可达10⁹-10¹⁴高斯，一个实至名归的“天文数字”。脉冲星的自转周期很短，旋转速度很快，最快的每秒旋转可达上千圈。通过长期的观测发现，每一颗脉冲星都有自己独特的自转周期，就像人类的指纹，因此，通过周期来辨认每一颗脉冲星。脉冲星的周期变化率在10^-13-10^-20秒/秒，因此脉冲星是宇宙中天然的高精度时钟。目前观测到的脉冲星的数目大概有2800多颗（https://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/psrcat/），而且这个数目还在快速增长，因为我们一直都在建造新的设备和构建新的算法去寻找新的脉冲星。那么我们去哪里“邂逅”脉冲星呢？脉冲星作为超新星爆发之后留下来的产物，人们自然就认为超新星遗迹星云是一个很好寻找超新星的场所，经过大量的搜寻发现，年龄较大的一些脉冲星开始“另立门户”，会脱离超新星遗迹星云。这个有意思的发现表明，脉冲星产生的时候是具有很大的移动速度的。

图2脉冲星的模型图，可以看出脉冲星的磁场线。这幅图描述了I型X射线爆发，爆发过程中发射

出的一些X射线从吸积盘上散射下来。图片来自：NASA戈达德太空飞行中心/Chris Smith

一般来说，脉冲星的周期是极其稳定的，但是通过长期的监测发现，脉冲星具有周期不规则变化的特点。脉冲星的自转周期突然变短的现象被称为周期跃变(glitch)，可观测到的跃变为δp/p=10^-10_~10^-6s/s，天文学家认为周期跃变就是脉冲星在“打嗝”。有两种理论模型来解释脉冲星的周期跃变现象^[1]：

星震模型 脉冲星的能量的损耗来源于自转转动能的减少，从而导致了自转变慢。由于受到引力的作用，使得脉冲星收缩，但是脉冲星表面会有张力来阻止它收缩。当脉冲星的表面张力阻止不了形变时，脉冲星就会突然收缩，从而导致自转突然变快而发生周期跃变。

涡流模型 脉冲星不是一个完全的固体，它就像我们的地球内部一样，多层结构组成。脉冲星有坚固的外壳和内部的超流流体，外壳和内部的超流流体由于存在速度差可以引起周期跃变。

不论是脉冲星的自转跃变时来自星震模型还是涡流模型，其现象都仿佛和人会因“心动”而产生“脉搏跳动”相似。

图 3中子星的外磁层的主要区域以及中子星内部可能的成分模型图。图像来自J.M. Lattimer.2004^[2]

2. 首次捕捉到脉冲星的周期跃变

截止目前观测，在190个脉冲星中，人们发现了550多次周期跃变。船帆座脉冲星(vela pulsar)是跃变活动比较多、突变比较大的脉冲星。它是首次发现具有周期跃变现象的脉冲星^[3]，它的自转速度可达每秒11.2圈。船帆座脉冲星的周期跃变现象大概是三年发生一次，恢复过程的时间是30天左右^[4]，目前已经观测到了19次周期跃变（http://www.jb.man.ac.uk/pulsar/glitches/gTable.html）。而2016年的那次跃变的观测是最详细的观测之一，因为在这之前，射电望远镜从来没有实时捕捉到周期跃变，只是观测到跃变前后的活动。但是在2016年12月12日晚上9点36分左右，船帆座脉冲星又开始不安分的打了个“嗝”，幸运的是，Tasmania Mt Pleasant 26米射电望远镜刚好捕捉到了船帆座脉冲星发生跃变的过程，这是人类第一次捕捉到脉冲星的跃变过程。2019年Gregory发表在nature astronomy的一篇文章详细介绍了捕捉到的周期跃变的特征。主要包含三个观测结果（可参考图4）^[5]：

1， 在周期跃变发生之前，船帆座脉冲星放慢了转速，这是第一次发现这种现象。

2， 周期跃变发生时，自转频率从开始变化到最快所需要的时间是12.6秒左右。

3， 自转频率的增加到最高值之后，然后以一个指数形式恢复。

图 4 船帆座脉冲星发生glitch前后自转频率的变化(图片来自Gregory 2019)

图 5 脉冲星发生跃变时内部涡流结构模型

对于船帆座脉冲星来说，它的周期跃变比较大，星震模型已经不能适用。因此，最受欢迎的是涡流模型。当船帆座脉冲星自转速度变慢时，外壳转速会较小，但是内部超流由于和外壳的耦合力不大，所以内部涡流的速度大于外壳的速度，当外壳和涡流的速度差比较大时，涡流就不再镶嵌在原处，把角动量传给外壳，于是我们就观测到了跃变现象。所以船帆座脉冲星大概需要三年的时间来实现这些过程，当然当跃变真正发生的时候内部情况会更复杂，这就需要未来更多的观测和研究。

由于脉冲星极端的物理条件，我们不可能到脉冲星上面去研究它，也不可能在实验室造就一个相似的致密物体，更不能把中子星切开看看内部结构。只能利用天文望远镜观测之后提供的信息去做理论预测。研究脉冲星的周期跃变现象有助于我们了解脉冲星的内部结构。所以船帆座脉冲星的这次观测证据为我们了解脉冲星的内部结构提供了很好的机会。

3. 窥一斑而知全豹？

研究脉冲星的跃变现象，我们一般是从某一个特殊的脉冲星开始着手研究，然后从个体类推到整体，具体能不能窥一斑而见全豹，还是要做具体的分析。我们虽然捕捉到了船帆座脉冲星的跃变，但是仍然不能完全类比到所有的有跃变活动的脉冲星，毕竟有一些脉冲星的特殊的现象值得我们深究，有些脉冲星周期跃变期间会引起射电、X射线或者伽马射线辐射的一些变化，可谓是“牵一发而动全身”。脉冲星PSR J1119-6127就是一个例子（文章在投），这颗脉冲星在2016年发生一次周期跃变，而且多个波段都出现了辐射流量的变化，图6是脉冲星PSR J1119-6127从射电、X射线和伽马射线波段观测的结果，可以看出多个波段的流量都发生了明显的变化，所以有可能当跃变发生后使脉冲星的整体结构发生了复杂的变化。

图6脉冲星PSR J1119-6127在发生跃变之后多波段流量的变化，红线表示跃变发生的大概时间，第三，四，五栏分别表示射电，X射线，伽马射线波段观测到的流量

PSR J2021+4026也是一颗非常有意思的脉冲星，这颗脉冲星在2011年发生一次周期跃变^[6]，如图7，可以看出当跃变发生时（也就是自转减慢率发生变化），伽马射线的辐射流量开始降低，而且自转减慢率和伽马射线的流量的变化都持续了三年的时间，三年之后开始恢复到正常的状态，但是更引人注目的是，正常状态维持了四年，之后，脉冲星的自转减慢率和伽马射线的流量又开始发生变化，这次的变化和2011年的变化几乎一致^[7]。脉冲星PSR J2021+4026的这些现象还没有一个成熟的理论去解释，但是很大可能和脉冲星的跃变引起脉冲星的外磁层或者内部的结构变化有关。

图7显示的是脉冲星PSR J2021+4026的十年的伽马射线流量的观测结果（上图）和自转频率导数的结果（下图）

 

目前，我们虽然不能完全认清脉冲星的内部结构，但是每一次的突破就让我们对脉冲星的认识更进一步，除了脉冲星的跃变现象不清楚之外，还有很多未解之谜，例如脉冲星的强磁场是怎么来的，磁场和脉冲星的内部结构有什么联系？脉冲星到底是夸克星还是中子星，又或是有些已知的长周期脉冲星是转速较快的白矮星？脉冲星的辐射机制到底是什么样的？尽管这研究这方面取得了一些共识，但是真正很成熟的辐射模型还需要进一步探讨。所以脉冲星的研究的道路还很长，任重而道远，虽然我们每一次都像“盲人摸象”似的探索，但是通过努力我们总有一天会揭开脉冲星真实的面纱。

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