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1967年发现脉冲星后不久, 相继在船帆座超新星遗迹和蟹状星云中发现脉冲星, 这极大地支持了中子星源于超新星爆发的理论, 也解决了蟹状星云能源之谜。但是1572年爆发的第谷超新星和1667年的仙后座超新星都比蟹状星云超新星年轻得多, 在它们的遗迹中却怎么也找不到脉冲星。

目前银河系中已发现近200个超新星遗迹, 但找到相联系的脉冲星的遗迹不足20个。既然理论认为超新星爆发会留下致密的中子星和弥漫的超新星遗迹, 为什么银河系中已发现的超新星、脉冲星和超新星遗迹的数目是如此的不一致呢?

银河系超新星

超新星是最激烈、最壮观的天体物理现象之一。超新星爆发是非常罕见的天象。它是正常恒星演化的终点, 又是中子星和黑洞诞生的起点。超新星爆发是无法预测的, 总是在人们不知不觉的时候突然发生。爆发前的恒星很暗, 很不显眼, 爆发时, 亮度可增加17个星等, 即在几天内亮度增加几千万倍到几亿倍。

中国古代在观测和记录超新星爆发方面有着辉煌的成就。已知的超新星爆发非常稀少:查遍长达二千年的历史文献, 由中国、阿拉伯及欧洲的历史记录可以确认为超新星爆发的只有寥寥八九次。

最早的记录是公元185年在半人马座发现的超新星, 爆发时的视星等亮度达-8等, 持续20个月都可以看见。1006年5月6日发生在豺狼座和半人马座之间的超新星是历史记载中最亮的, 视星等亮达-9.8等, 视星等亮度达-5等, 最亮时超过天空中最亮的金星, 大白天还芒角四射, 在夜晚清晰可见达22个月之久。

这颗超新星成为现代天体物理的宝贝, 被国际天文学界称为“中国新星”。1572年仙后座超新星和1604年蛇夫座超新星分别以外国天文学家的名字命名, 称为“第谷新星”和“开普勒新星”。实际上, 我国古代资料对这2颗超新星也有记载, 第谷新星还是万历皇帝在宫中亲眼看见的超新星, 当时他设坛祭祀, 亲自跪拜。

银河系中发现的超新星都是天文望远镜发明以前由肉眼观测到的。没有现代标准的光度和光谱数据, 属于现象的描写。古代对天体的分类不够严格, 各国、各朝代对观测现象的描写也不统一, 因此证认工作比较困难。

但是, 这些古代记录中关于超新星的方位、亮度变化和时间的资料却是非常重要, 使我们对超新星爆发特性和它们大致的类别有一个大致的了解, 特别是确认与它们相联系的超新星遗迹提供重要线索。

蟹状星云和它的脉冲星

蟹状星云, 简称为“M1”天体。这是一个非常明亮的椭圆形星云, 它是由弥漫物质组成。从其边缘各处伸出长长的纤维状物质, 形状好象螃蟹的腿。经证认, 它就是1054年中国古籍上记载了的“超新星爆发”所遗留下来的遗迹。

尽管它的距离远至6300光年, 但它既年轻又明亮使它成为最容易观测的超新星遗迹之一, 它已成为天文学家研究恒星演化的一个非常理想的样品。通过研究它, 得到了很多天体物理学的新概念。

首先, 天文学家发现蟹状星云是一个全波段天体。从射电、光学, 到X射线、γ射线都很强, 频率范围为107 1020赫兹。总的辐射功率为1031焦耳?秒, 相当于10万个太阳的辐射。蟹状星云是一团稀薄的气体, 如此强的辐射, 能量由谁来提供?

辐射频率范围这么宽的连续辐射已不能用熟悉的电离气体的热辐射来解释。1953年原苏联天文学家什克洛夫斯基提出同步辐射理论来解释蟹状星云的连续辐射。同步辐射是高能带电粒子在磁场中绕磁力线作螺旋运动时所发出的辐射。

然而同步辐射机制要求在蟹状星云中有大量的能量大于1011电子伏的高能电子和大约10-7特斯拉的磁场。在超新星爆发时的确产生了大量高能电子, 但是高能电子会因辐射而使其能量不断减小, 射电波段的辐射只能维持100年, X射线波段的辐射仅能维持1年。

蟹状星云的年龄约有1000年。爆发时所产生的高能电子早已不复存在, 这源源不断的高能电子来自何方?超新星爆发后在星云中留下的磁场远低于所需要的值, 这10-7特斯拉的磁场是怎样形成的?

光学观测还发现蟹状星云在不断膨胀, 膨胀速度不仅不减慢, 而且还在加快。它们必然受一种力量的驱使, 这个力来自何方?观测还发现在蟹状星云中心附近有几条光带存在, 而且它们还在快速移动, 这些光带很像是星云中心发出的波动。这波动是怎样产生的?

上述这些问题归纳为一句话, 就是蟹状星云的能源之谜。“能源之谜”向天体物理学提出了挑战。它的解决必然推动天体物理学的发展。

在发现脉冲星以前的漫长岁月中, 曾有天文学家预言在蟹状星云中可能存在一颗具有很强磁场的快速自转的中子星, 由这颗中子星提供蟹状星云的能源。天文学家也曾在蟹状星云进行搜索, 特别是行星际闪烁的观测已经发现其中有一个致密的射电源, 只是那时不知道它就是中子星。

在1967年发现脉冲星之后, 果然在1968年在蟹状星云的中心发现了一颗脉冲星PSR0531+21, 称之为蟹状星云脉冲星。自转周期很短, 只有33毫秒。经计算, 蟹状星云脉冲星因自转减慢而释放出的自转能足以提供蟹状星云辐射所需的能量。蟹状星云脉冲星PSR0531+21的偶极磁场可以延伸到星云的各个地方。

对于偶极磁场, 磁场和距离的立方成反比, 中子星高达108特斯拉的表面磁场外推到蟹状星云的边缘, 其磁场值达到蟹状星云辐射所需要的磁场值。在脉冲星上至少存在2个高能带电粒子加速区, 可以源源不断地产生高能电子。蟹状星云辐射所需要的高能电子来源也就解决了。

脉冲星可以通过它的低频磁偶极辐射提供蟹状星云能源, 并产生蟹状星云中脉冲星附近的亮带及其变化。

仙女座大星云超新星和大麦哲伦云超新星

河外星系千千万万, 每个星系中都有亿万颗恒星, 恒星演化晚期自然也会发展到超新星爆发的阶段。河外星系虽然离我们很遥远, 但是望远镜威力的不断提高使我们很容易监测发现偶发的超新星爆发。

第一颗河外星系超新星是1885年8月20日由美国天文学家哈特文在仙女座大星云中发现的。那时人们不知道仙女座大星云是河外星系, 也不知道恒星会那么剧烈地爆发, 那时还没有“超新星”这个名词。1920年4月26日在美国科学院举行了一次题为“宇宙尺度”的辩论会, 焦点问题是“仙女座大星云是银河系内的星云还是银河系外的星系”, 两派意见针锋相对。

认为它是银河系内星云的天文学家还用1885年发现的超新星爆发作为其论据, 它们认为, 这颗“新星”是如此之亮, 它的距离一定不会很远。后来, 哈勃确认仙女座大星云是河外星系, 是一个由亿万颗恒星组成的庞大系统, 离银河系很远, 远达220万光年。

再回想1885年的“新星”, 爆发时的亮度可以和整个仙女座大星云相比, 相当于亿万颗恒星发出的光, 显然不是一般的新星, 而是剧烈非常的超新星爆发。

1987年全世界的天文学家沉浸在喜悦之中, 离我们最近的星系——大麦哲伦云中的超新星爆发被加拿大天文学家发现了。因为是1987年发现的第一颗超新星, 故取名SN1987A。

当时, 天文学家把正在进行的观测课题都停了下来, 动用所有波段的观测手段, 包括X、γ、光学、射电波段的观测设备, 还有中微子和引力辐射的检测器。这是近400年以来离我们最近的一颗超新星, 有条件对它进行细致地观测。

果然, 获得了十分宝贵的信息。图是超新星SN1987A总辐射流量变化, 又称光变曲线。在爆发后约90天总流量达到极大, 在300天以后已变得相当微弱。

图是哈勃空间望远镜在1990年拍摄到的照片。出人意料的是, 在SN1987A周围有一个明亮的光环, 环的直径为14光年, 并以每秒3.2万千米的速度膨胀。很显然, 这个光环不是超新星爆发留下的遗迹。

这个超新星的前身星在几万年以前抛射出的大量物质, 沿赤道面最稠密, 形成一个比其它区域稠密得多的气体环。超新星爆发以后所产生的冲击波以非常快的速度追赶上这个气体环, 使这个气体环发亮。

当恒星核心部分的核能源耗尽以后, 热核反应就停止了, 恒星核心部分的温度迅速下降, 热压力不能抵抗引力的作用, 恒星核心部分就要发生坍缩, 相当于巨大质量的物质从高处落下, 要释放引力势能。

如果恒星发生坍缩的核心部分具有1个太阳质量及与太阳一样大的体积, 它们坍缩为半径仅为10公里的中子星时, 1个太阳质量的物质从不同的高度自由下落到10公里的高度的地方, 计算得到所释放的引力势能为1046焦耳。

超新星爆发时所发出的各个波段的辐射加上星体被炸开所获得的动能总共有1044焦耳, 仅占所释放引力势能的1%。这99%的能量哪里去了?

核物理研究表明, 在引力坍缩时要产生大量的中微子。中微子具有极强的穿透力, 可以不经碰撞从星体内部跑出来。一次超新星爆发要发射1058个中微子, 每个中微子要携带10MeV的能量。超新星爆发首先是中微子爆发。

最令人欢欣鼓舞的是人类第一次接收到超新星爆发时产生的中微子。在1987年2月23日7时35分, 日本神冈、美国IBM和苏联巴克杉的三个中微子观测站同时接收到中微子。

它们相距甚远, 分别在亚洲、北美洲和欧洲, 三个站同时收到特别重要, 这就排除了是干扰引起的假像的可能性。然而, 还有一个设在意大利的观测站却提前4个小时接收到中微子, 这是不可思议的。因为超新星爆发, 引力坍缩引起中微子发射的时间很短, 只有几秒钟。这个问题只能留待以后的超新星观测和理论研究来解决了。

接收到的中微子总数是27个, 只占SN1987A发射到地球上的中微子数中极其微小的一部分, 但意义重大。这是人类第一次接收的来自天体的中微子辐射。

超新星SN1987A爆发时也会有较强的引力波发生, 但目前地球实验室中的引力波探测器的灵敏度还不能察觉它们。

如果在银河系中发生超新星爆发, 现有的引力波观测设备是能够检测到的。银河系中迄今已有近400年没有看见超新星爆发了, 按照200年发生一颗的统计概率, 很可能很快就要发生了。天文学家们在积极准备, 翘首以待。

然而, 最令天文学家揪心的是至今尚未在SN1987A中发现脉冲星。在SN1987A发现不久, 一个惊人的消息传遍全世界, “在超新星SN1987A中, 发现一颗刚诞生的脉冲星, 周期最短, 仅为0.5毫秒”, 但是, 经过反复的检查和再观测后, 才知道这是接收设备的噪声和我们开的一个玩笑。

目前搜索脉冲星的观测仍在进行之中。由于SN1987A的遗迹的光学光度比较亮, 爆发后的残骸还比较稠密, 在光学上发现脉冲星是不可能的。最可能的还是射电观测。当然, 如果脉冲星的辐射锥没有扫过地球, 那么即使它再光辉灿烂, 我们也是观测不到的。

超新星爆发是否都留下中子星?

观测超新星, 首先得到的是它的光变曲线。横坐标为时间, 纵坐标为亮度。超新星爆发所经历的时间很短, 在开始几天到十几天, 亮度迅速上升到极大, 极大后在几十天到几百天之内逐渐下降, 直到看不见。

前后虽有几百天, 但最重要的阶段是爆发前后的几十天。在恒星的一生中, 这只是极其短暂的一瞬间。光变曲线的形状并不相同, 明显地存在两大类, 称之为Ⅰ型和Ⅱ型。根据光谱观测, Ⅰ类缺少氢的谱线, 而Ⅱ类则有丰富的氢元素。这些特性反映了前身星的不同和爆发机制的差别。

Ⅰ型超新星的前身星是失去了氢壳层的老年星的爆发, 这类超新星爆发不会产生中子星;Ⅱ型超新星起源于大质量的富氢的年轻星演化的晚期事件, 可能留下一个中子星。

从恒星演化理论方面来说, 小质量恒星可能以相对平静的方式形成白矮星和行星状星云;大质量恒星则以超新星爆发的形式形成黑洞。只有中等质量的恒星, 也就是质量为8至20个太阳质量的恒星, 才有可能在超新星爆发中形成中子星。

中等质量的恒星在稳定阶段, 它的核心部分进行着氢聚合为氦的热核反应。这种氢聚变为氦的反应又称氢燃烧, 氢为核燃料。氢燃烧完了后, 全部变成了氦。氦聚变为碳和氧的反应又开始了。当恒星演化到以碳元素为燃料的一系列核反应时, 如果恒星核心的温度和密度太高, 碳燃烧会失去控制, 导致整个恒星爆炸, 完全瓦解, 在其中心不会留下中子星。

为什么超新星遗迹和脉冲星不能一一对应?

超新星爆发后遗留下来的弥漫星云遗迹可作为超新星爆发的物证。最早的几个超新星遗迹是用光学方法观测到的。一般说来, 遗迹的光学光度比较弱, 很难发现。然而, 超新星遗迹的射电辐射很强, 在射电天文学问世以来, 就成为寻找超新星遗迹的强有力手段。

目前已发现银河系里的超新星遗迹近200个, 年轻的脉冲星基本上都找到了相对应的超新星遗迹。除蟹状星云脉冲星和船帆座脉冲星外, PSR1509-58也算最出名的之一。这颗脉冲星首先是在X射线波段发现的, 然后才观测到射电波段的脉冲辐射。

是脉冲星PSR1509-58和与它相联系的超新星遗迹的射电及X射线辐射示意图。图中的小黑点代表脉冲星, 影线部分是射电展源, 虚线部分是X射线源。

然而, 到目前为止, 只有不到20颗脉冲星找到了相联系的超新星遗迹。

既然理论认为大多数超新星爆发有两个遗留物:致密的中子星和弥漫的超新星遗迹, 为什么银河系中已发现的超新星、脉冲星和超新星遗迹的数目是如此的不一致呢?

观测发现脉冲星有很大的自行速度, 其原因可能是超新星爆发不是各向同性的, 中子星在某个方向上受了很大的力。目前已测量出100多颗脉冲星的自行速度, 平均为150千米?秒。个别的脉冲星的自行速度可达到1000千米?秒。年龄大的脉冲星, 自然会跑出超新星遗迹。脉冲星在银河系中的分布表明, 年龄小于106年的脉冲星分布在银道面附近, 与超新星遗迹的分布很相像, 而年龄老的脉冲星则到处都有。

脉冲星和超新星遗迹的寿命有很大的差别。超新星遗迹的寿命较短, 只有几十万年, 而脉冲星的寿命远远超过这个值。因此绝大多数脉冲星不可能找到相联系的超新星遗迹。年轻脉冲星的数目是很少的。这些年来, 寻找和年轻脉冲星相联系的超新星遗迹的研究取得了重大的进展, 在最年轻的18颗脉冲星中, 基本上都找到了成协的超新星遗迹。

这个进展主要是观测射电超新星遗迹的灵敏度有很大的提高。低灵敏度的观测, 只给出超新星遗迹中比较强的部分的射电图像, 当脉冲星处在该遗迹的辐射较弱的地方时, 就判断为和这个遗迹无关了。

中子星也可能是由白矮星平静地演化而来的。在双星系统中的白矮星不断吸积由伴星来的物质使它的质量逐渐增加以致超过它的质量上限, 白矮星就不稳定了, 星体就要相对平静地坍缩而形成中子星。这样产生的中子星当然不会有对应的超新星遗迹。

在已知的近200个超新星遗迹中, 相联系的脉冲星很少。还有一个原因是因为脉冲星灯塔式的辐射, 只有部分脉冲星的辐射锥可能扫过我们地球。统计来说, 我们只能观测到20%的脉冲星。加上有的超新星爆发不会留下致密的中子星, 这不能一一对应的现象就可以理解了。