科学家估计，太阳诞生于50亿年前，而宇宙起源于大约134亿年前。我们在夜空中看到的大多数恒星是在几百万或几十亿年前诞生的。宇宙中的标准时间尺度是百万年和十亿年级别。最近，发表在《天体物理学杂志快报》上的一项研究表明新发现了一颗不同寻常的中子星[1]，被称为Swift J1818.0-1607：它的年龄只有240岁！
Swift J1818.0−1607 的发现
2020年3月12日，Neil Gehrels Swift天文台（简称“Swift”）上的爆发预警望远镜捕捉到了一次来自太阳系外的强烈爆发[2]。很快，Swift望远镜开始对爆发方向进行深入观测，并发现了新的X射线源，被命名为Swift J1818.0-1607（图1）。 后续观察[3] [4]证实，Swift J1818.0-1607发出的辐射以1.36秒的时间间隔规则闪烁，并且时间间隔在逐渐变长。 研究人员最终得出结论，Swift J1818.0-1607是快速旋转和高度磁化的中子星。
图1：Swift J1818.0-1607的X射线图像，ESA的XMM-Newton天文台所观测到的有史以来最年轻的脉冲星。 图片来源：ESA / XMM-Newton / P. Esposito et al.
什么是中子星？
中子星是宇宙中最奇特的恒星之一。它的直径只有大约20公里，是地球上一座城市的典型大小（图2），但是它的重量大约是太阳的两倍，即地球的重量的50万倍，因此我们可以明白中子星是非常致密的星体。中子星是宇宙中第二致密的天体，仅仅一立方厘米的中子星物质放在地球上其重量可达100万亿克（密度比中子星高的物体是黑洞）。还有另一种方式来思考中子星的致密程度。我们知道，原子是所有物质的最小单位，一个原子由一个原子核和一个电子组成，原子核是由质子和中子构成，而电子围绕原子核运动。一个原子核比原子小10万倍；如果原子核的大小相当于棒球的大小，那么原子的大小相当于一个城市的大小。因此，从原子尺度来看，通常的物质存在着空白空间。但是，中子星内部是如此致密，以至于两个原子核之间的间隔仅仅是一个原子核的大小，正常原子不能产生。中子星内部的大多数原子核分解形成自由中子汤（这就是这种奇特的星体被称为中子星的原因）。
图2：中子星是最致密的物体之一，其直径约20公里，质量是地球的50万倍。 图片来源：NASA的 Goddard太空飞行中心
中子星是如何诞生的？正常恒星，例如我们的太阳，由于力的平衡而稳定：引力挤压着恒星，而内部压力则将恒星向外推。内部压力是由中心的核聚变产生的。如果核燃料耗尽，恒星将会因抗衡不住引力而收缩下去，平衡将突然消失。引力使恒星坍塌，并引发超新星爆炸，这将恒星中的大部分物质吹入星际空间。这种坍塌将留下致密而紧凑的星体：中子星（图3）。科学家认为，质量在8到30个太阳质量之间的主序星能塌缩形成中子星（质量更高的普通恒星将继续坍塌成黑洞）。 1967年，第一颗中子星被发现，命名为PSR B1919 + 21。大约240年前，从Swift J1818.0-1607离开的超新星爆炸发出的光到达了地球。清朝的人们可能捕捉到来自于爆炸的光（注意：由于地球与Swift J1818.0−1607的距离约为16,000光年，因此240年前观察到的光大约在16,240年前发出）。
图3：恒星的一生。中子星是在大质量恒星的超新星爆炸后诞生的产物。 图片来源： Mr Toogood's Physics http://www.alevelphysicsnotes.com/index.php
中子星的自旋
自旋是宇宙中星体的一个共同属性。地球每24小时自旋一圈，太阳每27天自旋一圈。 天文学家发现Swift J1818.0-1607每1.36秒自旋一圈！ 为什么中子星旋转这么快？其原因类似于旋转花样滑冰运动员。从图4中我们可以知道花样滑冰运动员将手臂收拢到身体上时旋转得更快。这种物理定律被称为角动量守恒：当旋转的物体尺寸缩小时，旋转的速度与臂长的平方成反比（图4）。例如，如果半径大约为7亿米的太阳坍塌到中子星的大小，它将每1毫秒自转一周。所以中子星可以旋转得如此之快。
图4：角动量守恒。随着旋转物体尺寸的缩小，旋转速度增加。图片来源： © 1999-2020, Rice University, Creative Commons.
中子星的磁场
中子星的另一个重要特性是其极强的磁场。自旋星体的收缩不仅增加了旋转速度，而且还增强了磁场。其物理原理类似于角动量守恒，但称为磁通守恒：当物体半径缩小时，磁场强度与半径的平方成反比。中子星的磁场在前身星坍塌过程中被放大到超过十亿特斯拉，这比生活中普通磁铁高出十亿倍。中子星是宇宙中磁性最强的星体。
恒星灯塔：脉冲星
极强的磁场迫使中子星从磁场的两极（如地球的北极和南极）发出辐射。由于辐射束和中子星一起旋转，就像海边的灯塔一样，所以我们只能在辐射束束指向我们的时候看到中子星（图5和图6）。随着时间的推移，我们已经能观察到中子星的脉冲。大多数中子星可能无法被探测到，因为它们可能没有发出足够的辐射，或者辐射束从未指向我们。然而在某些情况下，中子星可以产生可探测的脉冲辐射。这样的中子星被称为脉冲星（pulsar，全称pulsating radio star）。由于脉冲是如此的有规律而且脉冲星的位置固定，研究人员认为脉冲星可以引导宇宙飞船的飞行，就像在海边建造灯塔来引导船一样。
科学家估计，Swift J1818.0−1607只有大约240年的历史。那么，我们是怎么知道恒星的年龄呢？恒星的年龄是用来对恒星进行分类的基本信息。研究人员通常用恒星的“颜色”来估计一般恒星的年龄；年轻恒星显得更蓝，而老恒星则显得更红。对于脉冲星，科学家们则用不同的方式来指示年龄。来自脉冲星的连续两个脉冲之间的到达时间是非常规则的，脉冲星的旋转周期可以非常精确地测量出来。另一方面，脉冲星的周期随着时间缓慢而有规律地增加；Swift J1818.0-1607的周期正以每年约0.003秒的速度自旋下降。科学家们用当前自旋周期与自旋下降速率的比值作为年龄的标志，称之为“特征年龄”。特征年龄并不完全吻合真实年龄，但与之接近。Swift J1818.0-1607是目前为止观测到的所有脉冲星中特征年龄最小的。
图5：艺术家对脉冲星辐射的印象。图片来源：Copyright @2004 Pearson Education, publishing as Addison Wesley.
图6： Gif动画，脉冲星的灯塔模型。图片来源：Michael Kramer（曼彻斯特大学JBCA）。
磁性怪兽：磁星
如果你在真空空间中旋转一个磁体，则会观察到该旋转磁体最终会停止旋转，旋转的磁体会改变空间中磁场的方向。在自然界中有趣的是，变化的磁场会生成变化的电场，从而会生成变化的磁场，依此类推。电场和磁场相结合，从磁体中消耗旋转能量，从而导致磁体旋转速度下降。科学家运用这个想法来解释脉冲星的旋转。 磁化的中子星在太空中的特性就像旋转的磁体一样，不难想象具有较高磁场的中子星旋转速度下降得更快。因此，科学家用自旋下降速率的测量值来表示脉冲星的磁场强度及其寿命。自1967年发现第一个脉冲星以来，已发现约3000个脉冲星，其典型的磁场强度约为1-10亿特斯拉。
Swift J1818.0-1607令人惊讶的是它的磁场强度比典型值强1000倍（图7）。研究人员将这种具有超强磁场的中子星称为“磁星”（magnetar, magnetic star的缩写）。磁星是中子星的一种罕见类型，到目前为止，仅确认了约30个磁星。目前，Swift J1818.0-1607不仅是最年轻的，而且是旋转速度最快的磁星。
强磁场的特性就像拉紧的橡皮筋在磁星上施加张力。这种压力随着时间累积在磁星的表面，最终使表面破裂。这会导致类似于地震的星震，并引起剧烈的伽马射线爆发（图8）。 2020年3月12日，Swift望远镜捕捉到来自Swift J1818.0-1607爆发。
图7：脉冲星（黑圈）和磁星（蓝圈）的磁场和特征年龄。Swift J1818.0-1607是已知中子星中最年轻的。图片来源：Jumpei Takata（华中科技大学）。
图8：磁星SGR 1806-20的伽马射线暴。图片来源: A. von Kienlin, MPE.
谜团
Swift J1818.0-1607脉冲星由于具有超强的磁场，因此被归类为磁星。与典型的磁星（在射电波段观测不到）不同，Swift J1818.0-1607可产生射电信号脉冲，并且其特征类似于典型的脉冲星。自20世纪70年代发现第一个磁星以来[6]，研究人员就认为，典型的脉冲星和磁星是中子星中的不同种类。射电辐射磁星Swift J1818.0-1607的发现提出了有关磁星与典型脉冲星之间联系的新问题。
超新星爆炸将中子星的表面加热到非常高的温度（约一千万度）。然后，中子星通过辐射X射线逐渐冷却。研究人员测量了来自多个脉冲星和磁星的X射线冷却辐射，他们期望观测到Swift J1818.0-1607的冷却辐射特征。但是，观测数据并不能表明Swift J1818.0-1607存在冷却辐射，而是表明Swift J1818.0-1607的表面可能比预期温度要冷得多。没有发现冷却辐射这一点似乎与Swift J1818.0-1607的特征年龄相矛盾。因此，科学家仍然不确定Swift J1818.0-1607是如何形成，以及真实年龄是什么。
寻找超新星遗迹
由自旋下降速率确定的特征年龄表明，Swift J1818.0-1607是已知脉冲星中最年轻的。研究人员希望发现另一个证据，证明Swift J1818.0-1607确实是年龄约为240岁的最年轻的脉冲星。对真实年龄的最确凿的估计是相关超新星遗迹的确认。超新星爆炸会吹走恒星的大多数质量。喷出的碎片以非常高的速度在星际空间行进（绕地球一圈大约只需要1秒钟），并且可以观察到膨胀的星云，这被称为超新星遗迹。在超新星遗迹的中心，经常能探测到脉冲星或磁星。最著名的超新星遗迹是蟹状星云，地球上在公元1054年观测到了蟹状星云的超新星遗迹，在蟹状星云的中心有一个周期为33毫秒的脉冲星。
寻找与Swift J1818.0-1607相关的超新星遗迹的工作才刚刚开始。在接下来的几年里，深入的调查将揭示超新星遗迹的性质以及Swift J1818.0-1607的真实年龄。
图9：蟹状星云的超新星遗迹。左上方和中间的图像显示了光学和X射线望远镜拍摄的蟹状星云。脉冲星位于星云的中央，星云的大小远大于脉冲星的大小。图片来源：NASA, ESA, J. Hester, A. Loll, CXC, SAO, F. Seward et al., MAGIC Collaboration
参考文献:
[1] Esposito, P. et al. 2020, The Astrophysical Journal Letters, Volume 896, Issue 2
[2] Evans, P. A. et al. 2020, The Gamma-ray Coordinates Network circular 27373
[3] Enoto, T. et al. 2020, The Astronomer's Telegram, No. 13551
[4] Lower, M.E. et al. 2020, The Astrophysical Journal Letters, Volume 896, Issue 2
[5] Hewish, A., Bell, S.J. et al. 1968, Nature, Volume 217, Issue 5130
[6] Mazets, E. P. and Golenetskii, S.V., 1981, Astrophysics and Space Science, Volume 75, Issue 1
作者简介
Jumpei Takata，华中科技大学天文系教授，主要研究领域伽玛射线脉冲星。
朱 羿 元，华中科技大学硕士研究生在读
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编 校：雷卫华 王慧慧 许文龙
文章编号：华中大天文200717B
