《现天课脉冲星》PPT课件.ppt

脉冲星是20世纪60年代天文学的四大发现之一。脉冲星的发现证实了中子星的存在。中子星具有和太阳相当的质量，但半径只有10千米。因此具有非常高的密度，成为一种典型的致密星。英国天文学家休伊什教授和他的研究生乔丝琳贝尔女士一起发现了脉冲星，在宇宙中找到了物理学家和天文学家梦寐以求的中子星。休伊什因发现脉冲星并证认为中子星而荣获1974年的获得诺贝尔物理奖。美国天文学家泰勒和赫尔斯因发现射电脉冲双星及间接验证引力波的存在而荣获1993年诺贝尔物理学奖。,脉冲星三大发现 1967年贝尔和休伊什发现 脉冲星 1974年赫尔斯和泰勒发现 脉冲星双星系统1982年贝克和库尔卡尼发现 毫秒脉冲星师生合作的典范脉冲星的发现 贝尔（博士生）休伊什教授脉冲双星的发现 赫尔斯（博士生）泰勒教授毫秒脉冲星的发现 库尔卡尼（博士生）贝克教授,1，中子的发现和中子星的预言中子的发现 直到1930年，物理学家还不知道原子核中有中子存在。中子 发现的意义远远超出原子物理学的范围，很快就向天体物理 学提出挑战：在宇宙中有没有“完全由中子组成的恒星？”一个在物理学实验室中微观世界实验的进展，马上向宏观世 界的恒星世界提出挑战。中子星的预言 1931年当物理学家朗道知道中子发现后，仅过了几个小时 就提出中子星的概念。他指出，中子星非常小，非常致密，辐射非常微弱。1934年兹维基和巴德各自提出“中子星是大质量恒星演化到超新星爆发之后的产物。恒星坍缩后，在其核心形成中子星。”1939年中子星的内部结构理论：一个太阳质量，半径为10公里，密度达到,中子星在哪里呢？天文学家处于“一问三不知”的窘境，一是不知道中子星的辐射主要在射电波段；二是不知道中子星的辐射是脉冲形式；三是不知道中子星自转得是如此之快。这不是天文学家的过错，天文学研究的魅力所在，就是它常常出人意料。中子星的光度特别小 光度是和恒星的表面积成正比，天狼星伴星的光度比天狼星小1万倍，其表面积比天狼星小1万倍，半径约为7000千米。中子星的半径10千米，按照同样的道理，如果天狼星B是中子星，它的光度要比天狼星小多少倍？答案是几十亿倍。,蟹状星云能源之谜 蟹状星云：射电、光学、X和射线辐射。把蟹状星云所有频率上的辐射加起来，相当于十万个太阳的辐射。一团稀薄的气体，其能量来自何方？光学观测发现蟹状星云在膨胀，每年大约0.2角秒左右，而且膨胀速度在加快。星云膨胀加速度的能量由谁来提供？同步辐射：高能带电粒子在磁场中运动产生的辐射，高能电子来自何方？磁场是怎样形成的？帕齐尼预言（1967年）蟹状星云中的一颗中子星，每秒自转多次，具有很强的磁场，提供蟹状星云所需的能量。,蟹状星云和其脉冲星的辐射谱,蟹状星云,脉冲星,休伊什观测蟹状星云（1965年）他用行星际闪烁方法测出了蟹状星云中存在一个致密成分，其角径只有约0.2角秒，亮温度达到1014K。当时他就指出这个致密成分可能是1054年超新星爆发的遗留物。可惜，他并没有认识到这个致密源就是中子星。2，脉冲星的发现休伊什生平 休伊什1924年5月11日出生，中学毕业后进了剑桥大学，一年之后，成为皇家飞机研究所的成员，不久调到电讯研究所。战争期间，他参与机载反雷达设备的研究，指导空军人员使用雷达干扰设备。1946年第二次世界大战结束后休伊什回到剑桥继续学习，1948年毕业后被推荐进入卡文迪什实验室工作。1952年获博士学位后，在卡文迪什实验室成为赖尔的助手。,什么是行星际闪烁？星星为什么向我们眨眼？地球大气对流层中空气密度的不规则变化和扰动对光波的影响。地球的电离层对无线电波的作用也会产生闪烁。太阳系行星际空间充满着由太阳风所带来的密度不均匀的等离子体，它们也会使射电波发生闪烁。行星际闪烁的特点 行星际介质对射电波所产生的闪烁现象是快速的，在秒的数量级。只有角径很小的射电源通过行星际空间才有闪烁现象。,类星体 1963年，20世纪60年代四大发现之一。它们具有像恒星那样小的角径（小于1角秒），但不是恒星。有很大的红移，类星体是迄今为止天文学家所知道的距离最遥远、能量最大的天体。剑桥大学的闪烁望远镜 1965年，剑桥大学射电天文台决定采用行星际闪烁技术大规模地确认类星体。研制专门用于行星际闪烁的大型射电望远镜。足够大的天线面积：长470米宽45米宽的矩形天线阵，由16排，每排128个振子天线共2048个振子组成。3.7米的波长：闪烁比较强；望远镜造价低，制造容易。时间分辨率达到0.1秒。天线固定不动。,发现脉冲星的射电望远镜天线,乔斯林贝尔和脉冲星的发现 乔斯林贝尔（Q.Bell）小姐是休伊什的博士生，年仅24岁。贝尔在英国格拉斯哥大学获物理学学士以后就想攻读天文学博士学位。她首选的是焦德尔班克天文台，可是由于工作人员把她的申请丢失，她才到了剑桥大学。繁重的观测和资料处理任务 贝尔负责观测，每周重复巡视一次，每天记录纸有七八米。6个月的观测取得5.6千米的记录纸的原始资料。区分闪烁源和干扰成为每天必做的工作。在观测程序上，每隔一周重复观测一次，这样才能把干扰识别出来。因“错”立功丢失贝尔申请书的帕尔默辩解说，“要不是我把她的申请信丢了，那脉冲星到现在还没有发现呢！”乔斯林贝尔如果不是参与当时最高水平的行星际闪烁的观测研究的实践，也是无缘发现脉冲星的。,人类发现的第一个脉冲星的信号纪录,第一批发现的4颗脉冲星之一（PSR032954）的脉冲系列纪录：,时间（秒）,贝尔发现不寻常“闪烁源”67年8月，贝尔注意到一个发生在深夜的“闪烁源”。夜晚太阳风很弱，强闪烁源是不会发生在夜晚的。在排除了人为干扰和确认这个信号遵守恒星时以后，休伊什认为可能是一颗来自太阳系之外的射电耀星。1976年8月6日观测到的脉冲星信号纪录确认是来自太阳系外的信号 对这个信号的监测发现，它遵守恒星时，而不是太阳时。确认是来自太阳系外的信号。太阳日：太陽回到相對於地面同一位置便是一天，例如由今天中午至明天的中午。恆星日：恒星返回天空同一位置為一恆星日。由於地球公轉的關係，一年中約有365個太陽日，366個恆星日。一個太陽日比一個恆星日约长4分钟。,确认发现脉冲星 如果是来自太阳系外行星上的人为信号，这个脉冲信号中必然附加了行星轨道运动所产生的多普勒位移。他们经过一系列的实验，没有测出这种位移，从而否定了小绿人的看法。休伊什利用精确的时标，在改正地球轨道运动的影响之后，惊讶地发现脉冲周期可以精确到千万分之一秒。测出的周期是1.3372795秒。终于确认脉冲信号是来自一种新型的天体脉冲星的辐射。当时取名为CP1919，CP为剑桥大学，1919是脉冲星的赤经。贝尔再立功 她又从过去多达5000米记录纸所记录下的资料中，又找到3个脉冲星。其中一颗名叫PSR095008的脉冲周期仅0.25秒。作为脉冲星的最先发现者，贝尔的功绩是不可磨灭的。,3，“小绿人”和地外文明“小绿人”11月28日，贝尔成功地记录到这个信号的脉冲周期约为1.33秒。任何已知天体的辐射都不会是这样的短周期脉冲。休伊什提出可能是在太阳系外围绕恒星作轨道运动的行星上的“小绿人”发出的信号。10年后贝尔写道，“当时我不完全理解观测到的脉冲一定是人工的。我所不知道（但本来应该知道）的是，这样快速的变化是难从恒星、星系或当时知道的任何其它类型的天体获得的。”贝尔女士说：“当我在搞一项新技术以取得博士学位，可一帮傻呼呼的小绿人却选择了我的天线和我的频率来同我们通讯”,地外文明是严肃的科学问题 地外文明是人们长期以来津津乐道的话题，大量的有关外星人的科幻电影和小说，把地外文明炒得沸沸扬扬。地球之外是否有生命？是一个严肃的科学问题、哲学问题，一个需要思考和探索的问题。地外文明社会知多少？太阳系的地球是生命的摇篮，在宇宙空间有多少像太阳一样的单个恒星的行星系统？有多少像地球一样，有水，空气和适当的温度的行星？,天文学家曾给出多个可能存在的文明社会的数学公式。阿西莫夫公式：N=ABCDEFGHLM N：可能存在的文明社会的数目 A：银河系中的恒星数 A31011个 B：拥有行星系统的恒星百分比 C：和太阳差不多的恒星百分比 D：适合生物生存条件的恒星的百分比 E：有类似地球的行星的百分比 L：可居住的天体中具有46亿年的历史 M：文明社会的寿命计算结果：银河系中拥有文明社会的数目为53万个，平均100万个恒星中不到 2个。,4，脉冲星是高速自转的磁中子星1968年2月，自然论文：脉冲星是一种极为奇异的天体射电源，它在太阳系之外，发射短暂而极有规律的无线电脉冲；它是某种密度非常大的星体，很可能就是中子星。休伊什根据中子星径向振荡理论来解释辐射的脉冲性质却是不正确的。脉冲星的观测特性 脉动的射电辐射而得名。周期很短1.5毫秒8.5秒，十分稳定，可以和地球上的原子钟比美。,脉冲星的脉冲特性：1，纪录到的每个脉冲强度和形状变化很大，图下部是把每个周期的脉冲依次往下排的脉冲系列。2，平均轮廓是把几百几万个脉冲叠加起来后得到的轮廓，这轮廓的形状长期保持不变。,脉冲特性：1，一个周期360度，脉冲只占3102，脉冲轮廓形状长期保持不变，如图中的实线。3，有的脉冲星的脉冲轮廓有时会变为另一种稳定形状（图中虚线），但时间不长4，脉冲轮廓中显示出多个成分，图中显示5个成分。,周期缓慢的变化 脉冲星周期随时间十分缓慢地增加，变化率非常之小：周期变化最快的脉冲星需要经过10年的时间，其周期才增加1毫秒。变化最慢的脉冲星则需要年才增加1毫秒。除了脉冲星周期缓慢增加的变化外，还有周期噪音和周期突然变短两种形式的变化。脉冲星的周期是怎么来的？脉冲星的周期为什么这么短？这么稳定？还要缓慢地变长？天文上周期性现象是常见的，但都没有这样短。三种可能性，来自白矮星或中子星的：1，双星的轨道运动周期 2，径向脉动周期 3，自转,确认为快速自转的中子星 前2种都不可能，因为不能解释周期缓慢地增加的现象。中子星的自转可能到达这样短的周期，而白矮星则只能达到秒的数量级。自转机制的限制：在赤道上的线速度不能太大，如果离心力大于引力，赤道上的位置就要脱离中子星，中子星就不能存在了。白矮星的半径比中子星约大600倍，因此所能达到的自转角速度要比中子星的小很多。所以只有中子星的自转能解释观测到的脉冲星周期现象。为什么中子星的辐射是周期脉冲信号？自转周期可以达到毫秒秒，但辐射和自转有什么关系？中子星有很强的偶极磁场，辐射只能从磁极区出来，就像灯塔一样只射出两束光。自转一次，脉冲星的辐射扫过观测者一次，形成一个脉冲。,证认脉冲星是中子星的两位功臣帕齐尼在1967年脉冲星发现前的论文：“在蟹状星云中存在一个由中子组成的恒星，它每秒自转多次，有很强的磁场，它的磁偶极辐射不断地给蟹状星云提供能量”。1968年托马斯歌尔德（T.Gold）论文和帕齐尼的差不多，但是在脉冲星发现之后做的，对观测特征解释得更清楚一些。脉冲星磁极冠模型 综合他们的理论：中子星具有非常强的磁场，在磁极冠区，带电粒子在磁场中运动发出曲率辐射，形成一个方向性很强的辐射锥，就像灯塔发出的两束光一样。辐射锥的中心是磁轴。一般地，磁轴和中子星自转轴不重合，所以当辐射锥和中子星一起转动扫过地球上的射电望远镜时，我们就接收到一个脉冲,脉冲星脉冲辐射形成的原理图,5，中子星的形成 中学基础知识：原子核，衰变、衰变、天然放射现象、同位素以及核能等。这些知识有助于我们理解中子星形成的机理。中子化过程衰变：一个孤立的中子衰变为一个质子和一个电子及并发射一个反中微子的过程。逆衰变：一个接近光速的电子和一个质子相碰便形成一个中子和一个中微子。一个高能电子打入原子核，和其中的质子相碰，也产生逆衰变反应。核反应后，核子数不变，少了一个质子，多了一个中子，同时发射一个中微子。这个元素变为另一种元素。,中子化过程条件 密度大于106克/厘米3的情况下，核外电子的能量大，可打进原子核，原子核中的中子数越来越多，质子数越来越少，形成了很多富中子核，这就是中子化过程。自由中子发射过程 衰变是说一个原子核放出由两个质子和两个中子组成的氦核，原子核衰变为另一种元素的过程。这里的自由中子发射过程是放出中子。逆衰变过程使原子核中的中子数越来越多，质子数越来越少，当中子的能量大到一定程度时，就有可能跑出原子核。条件：密度达到或超过4 x1011克/厘米3。原子核破裂形成中子流体 当密度超过1014克/厘米3以后，原子核便完全离解，其中的质子和电子相碰变为中子，成为中子的海洋。但是中子星内还存在着很少量的质子和电子。,简并中子气 在中子星壳层以下的中子流体是简并的，由于密度奇高，致使中子填满了所有的能量状态，大部分中子处于很高的能态，形成了极其巨大的简并中子气压。与简并电子性质类似，但中子流体的密度已超过1014克/厘米3，致使简并中子气所形成的压力远远超过简并电子气，成为可以抗衡引起星体坍缩的引力。中子星的质量上限 坍缩后所形成的致密星的质量如果大于2个太阳质量时，中子气简并压力也无法抗衡引力，星体便只能一直收缩下去，形成黑洞。极端物理条件实验室 超高密：每立方厘米约有一亿吨重；超高温：几亿度以上；超强磁场：1081014高斯;超强辐射；10251035尔格/秒;超流、超导；超强引力；,6，休伊什获1974年诺贝尔奖休伊什获1974年诺贝尔奖 休伊什由于和贝尔一起发现了脉冲星，并把它证认为30多年前物理学家预言的中子星，震惊了科学界，获得了1974年诺贝尔物理学奖的殊荣。休伊什教授获奖是当之无愧的。为乔丝琳贝尔说公道话 诺贝尔物理学奖只授予休伊什一人，而完全忽视了贝尔的贡献是不公正的。曼彻斯特和J.泰勒在专著“脉冲星”的第一页写道：献给乔丝琳贝尔博士，没有她有洞察力的、百折不挠的努力，我们现在可能无法分享到研究脉冲星的这份快乐。在1980年国际天文学会脉冲星会议上贝尔和休伊什同被誉为“脉冲星发现者”。,7，令人牵肠挂肚的引力波检测 爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家，他的广义相对论原理被称之为20世纪理论物理学研究的巅峰。（1），光线在太阳引力场中的弯曲；（2），水星近日点的运动规律；（3），引力场中的光谱红移现象。这三个预言都先后得到了证实。广义相对论预言引力辐射的存在：任何具有质量的物体作加速运动都应该产生引力辐射；在地球上不可能作引力辐射的实验：因为质量太小；科学家寄希望于探测来自宇宙空间的引力辐射。从未捕捉到过有关引力波的可靠信号。但是关于引力波的预言却经历半个世纪也没有得到实验的验证。,辐射引力波源：（1），超新星爆发、致密天体形成的突发事件引发的引力波，其特点是强度大、频带宽，但时间短暂。（2），各种双星、具有较大椭率的转动星可以发射引力波，引力波的频率稳定，但强度小；（3），无规背景辐射的引力波；引力波探测器：引力波的作用是使物体发生扭曲和变形，因此所有引力波天线常常是一根棒，借助测量这个天线极小的扭曲和变形来确定是否接收到引力波。,8，射电脉冲双星的发现J.泰勒 在1967年发现脉冲星的时候，还是一位博士研究生。1968年获得博士学位后，和哈佛大学的同事合作，继贝尔发现4颗脉冲星之后发现第五颗射电脉冲星。他的名言：“有可能产生重大意义的研究，再困难也得试一试”。1973年J.泰勒教授提出新的巡天观测计划：发现短周期、远距离的脉冲星。赫尔斯 1973年在麻省大学学习的赫尔斯是J.泰勒教授的研究生。他选择泰勒的脉冲星巡天课题作为博士论文。他认为，这个课题体现了射电天文学、物理学和电子计算机科学三个学科完美的结合。,脉冲双星系统,脉冲星观测发现较多的射电望远镜：1，澳大利亚Parkes的直径64米直径射电望远镜占第一位，发现一半以上；2，Arecibo射电望远镜发现100颗左右；3，英国焦德尔班克的76米直径射电望远镜发现大约100；4，美国格林班克的直径92米射电望远镜发现近100个；新巡天采用新技术：（1），世界上最大的Arecibo射电望远镜；（2），采用消色散接收机 在星际介质中不同频率的无线电波的传播速度不同，脉冲星发出的同一个脉冲到达射电望远镜时，高频和低频成分有时间差，导致接收到的脉冲变宽了，脉冲能量分散，脉冲轮廓变形，甚至会将脉冲平滑掉。消色散的办法是把接收机总通频带分成许多窄带，每一个窄带的带宽小于可允许的带宽上限。然后经过补偿将各个通道的信号加起来。（3），采用计算机纪录和处理资料,赫尔斯旗开得胜 赫尔斯独自观测和处理资料，发现40颗新脉冲星，可以说取得了空前的好成果。这次巡天的成功率比以前的高出4倍。在当时脉冲星仅有100颗的情况下，一下子增加了40颗，对脉冲星的观测研究有巨大的促进。赫尔斯发现“怪星”他说：“我们的巡天发现了40颗脉冲星，其中一颗调皮捣蛋，它的周期老变，弄得我寝食不安。”这颗脉冲星的周期仅0.059秒（PSR191316）很怪癖，但时隔仅两天的观测，周期值的差别竟达27微秒之多。赫尔斯以为是设备出了问题，或观测程序或处理方法有错。但怎么查也找不到毛病。周期测不准的原因是这颗脉冲星是在双星系统中。轨道周期很短，所以短期中对测量到脉冲星周期产生周期性影响。后来赫尔斯悟出了这个原因。测出了双星的轨道周期。,好运气！现在至少已发现50颗射电脉冲双星。其中只有5个双中子星系统。然而，第一个发现的就是双中子星系统。其轨道椭率很大，是用来检验引力辐射的最好的实验室。好运气只能属于在脉冲星巡天观测中辛勤耕耘并决心攀登科学高峰的人们。9，引力辐射的验证理想的引力实验室 在天文学中，双星系统很平常，已知的恒星有近一半属于双星系统，可谓千千万万。既使对中子星来说，所有伴有X射线辐射的中子星都是双星系统的成员，也司空见惯。但是在射电脉冲星的世界里却比较少见。,验证的困难 第一个难点是，理论计算的轨道周期的变化非常微小，要求观测测量极端的精密。第二个难点是，为了发现轨道周期的变化必须要进行长期的观测。奋斗20载，验证引力波 这个特殊的脉冲双星系统的重要性在于它是双中子星系统，两颗子星间没有物质交流。它的轨道周期很短，仅7.75小时，两颗子星相距很近，轨道椭率很大，达到0.617。导致脉冲星具有非常高的轨道运动速度，可达光速的十分之一。根据广义相对论，可以计算出双中子星系统有很强的引力辐射。引力辐射将会导致双星系统轨道运动周期变短。如果我们能够测量出脉冲双星轨道周期的变化，便能间接地确认引力辐射的存在。J.泰勒教授奋斗了近20年。用世界上最大的射电望远镜进行上千次的观测，观测值和理论预期值的误差仅为0.4。终于证实了引力波的存在。,脉冲星双星PSR191316观测到的轨道周期变化与由理论计算的曲线符合得非常好,赫尔斯和泰勒获1993年诺贝尔物理学奖10，毫秒脉冲星的发现 1967年意外地发现脉冲星；1974年发现脉冲星双星系统；1982年发现的毫秒脉冲星PSR1937+214再一次轰动了全世界毫秒脉冲星的发现是天文学家有计划、有目标的观测研究结果。经历了好几年。1977年，一个名叫4C21.53的射电源引起人们的关注。经过几年的探索，确认它具有强偏振、幂律谱、致密等脉冲星所具有的特性。人们相信它就是一颗脉冲星。它处在1974年泰勒和赫尔斯用阿雷西博射电望远镜进行的高灵敏度巡天的天区中，然而并没有发现脉冲星这个脉冲星。在那时，阿雷西博巡天以及其它巡天，对周期小于60毫秒的脉冲星是不敏感的。,休伊什教授等未获成功 脉冲星的发现者休伊什教授也进行了努力。目的是要测出到这个射电源辐射中的周期结构。但都无功而返，一无所获。他在北京天文台做报告时谈到，当时他离成功只有一步之遥，他采用的时间分辨率已是3毫秒。1982年，好几个国家的脉冲星研究小组对这个射电源进行反复的观测，脉冲星的发现者休伊什教授也进行了努力。目的是要测出到这个射电源辐射中的周期结构。但都无功而返，一无所获。贝克教授和库尔卡尼博士 他们坚信，这射电源就是脉冲星。他们定出周密的计划，采用世界上最大的射电望远镜，研制消色散能力很强的接收机，特别是使接收系统对非常短的周期灵敏。1982年 美国 Backer 教授和 Kulkani研究生发现毫秒脉冲星PSR1937+214，周期最短 只有1.6毫秒 自转每秒600次！又一次出人意料！,毫秒脉冲星是新的一类脉冲星 毫秒脉冲星 正常脉冲星1.6-30毫秒（周期短）33毫秒8.5秒 1081010（年龄老）103107 1081010 G（磁场弱）10111013 G脉冲星众多桂冠头衔：最典型的全波段恒星：射电、光学、X射线、g 射线 星际空间的探测器 最典型的致密星 磁场最强的恒星 宇宙中旋转冠军 挂在天上的最精确时钟 最成功的引力实验室 理想的高能粒子加速器,毫秒脉冲星的贡献（1），新的一类脉冲星：再加速脉冲星；由射线双星演化而来，建立射电脉冲星与射线双星之间的演化关系；有2/3以上的毫秒脉冲星是在球状星团中发现，双星的比例大：2/3是双星。（2），只有毫秒脉冲星的行星系统才能被发现发现毫秒脉冲星的行星系统：毫秒脉冲星PSR1257+12（P=6.2ms）有两个行星：其一，公转周期66.6天，3.4个地球质量；其二，公转周期为98.2天，2.8个地球质量；（3）毫秒脉冲星有可能成为新的时间标准：脉冲星标准钟 毫秒脉冲星的周期特别稳定，脉冲星PSR1937+21五年中周期的随机起伏只有0.3微秒，长期稳定性好于原子钟，短期稳定性不如原子钟。平均脉冲星钟：由多颗毫秒脉冲星组成有可能成为有实用价值的标准钟。,第8章 要求和作业(带*号为作业）1，解释下列名词：超新星爆发，超新星遗迹，类星体，引力辐射，毫秒脉冲星。*2，简述脉冲星周期的特性。3，简述脉冲星的辐射特性。4，为什么说脉冲星就是中子星？*5，为什么脉冲星和脉冲双星的发现者能 获得诺贝尔物理学奖？*6，向贝尔和赫尔斯学习什么？,选作题（自愿，考试不要求）：1，利用角动量守恒原理，解释中子星高速自转轴的原因。2,利用磁通量守恒原理，解释中子星具有特别强的磁场的原因。,