千亿个太阳 作者:[德]鲁道夫·基彭哈恩-第17章

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是来自一个环形区的辐射，最后则是历经最长路途，发自星球视圆面边缘的光线。本来发出的是短脉冲，在这位观测者的眼里却成了时间拖长的模糊脉冲，它的延续时间等于光线通过球半径所需的传播时间。但是不仅脉冲如
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　　此，球面亮度发生任何式样的变化都会照样在这段时间中变模糊，这是因为一切信号，不论是使亮度增强的还是减弱的，都不免要发生这种传播路程差。即使辐射产生区不是球面，这种脉冲变模糊现象也会有。因此，如果测得某辐射源的强度在万分之一秒内有变化，我们就可以断定，该源不可能比光线在这段时间内所走过的路程30公里大得多，要不然的话，变化的信号就会因时间拖长而模糊。在一个脉冲中，万分之几秒内就见强度起伏，图8…2观测记录上锯齿形起伏的陡翼表明了这点。既然射电辐射以光速传播，结论只能是发出脉冲的天体的直径不能大于几百公里。对比我们往常所熟知的星体，这就显得很小了。白矮星的直径有好几万公里，地球的直径有13000公里。脉冲星发出信号送来的信息告诉我们，宇宙中存在着电波发射非常强的微小天体。发现新脉冲星的报道从世界各地接踵而来。现在人们发现的脉冲星已经有好几百个，它们的周期从百分之几到4。3秒不等。虽然脉冲的形状有所变化，但周期极其稳定，即使有时有些脉冲变得难以测出，接之而来的脉冲也是精确地按原先的周期涌现。人们把脉冲作更进一步的分解之后，发现它们具有更精细的结构，如图8…2所示。这种强度变化的最快记录是百万分之0。8秒，就是说相应辐射区的直径最多只有250米。早在脉冲星发现的当年，人们就已经测出好些脉冲星的周期在变长，也就是说它们的节奏在变慢。但是相邻脉冲的间隔时间的增长毕竟是个微小数量，平均需要1千万年光景才会使一颗脉冲星的周期翻一番。脉冲星看得见吗那是什么类型的天体？它们是贴近太阳系呢，还是远得像河外星系那样呢？不难推断，它们是处在我们自己这个银河系的群星之列。我们已经知道，我们所见天上这条带状的银河，是我们这个星系的盘内无数恒星造成的，而银河带内那个看来恒星特别密集的所在，正是我们朝着银河系中心望过去的方向。如果把所有脉冲星按位置画到一张天空分布图上，那么正像我们银河系中的星星那样，它们之中的大多数都是落在银河带天区中（见图8…4）。■这样看来，它们在空间具有和恒星同样的分布：它们就分布在群星之中。也就是说，一些脉冲星所发出的脉冲要经历若干千年的长途奔波才为射电天文学家的望远镜接收下来。如果确是相距如此之遥还能被我们测到，那么这些脉冲星一定是强得惊人的辐射源，而其能量则来自直径也许只有250米的小小范围！发现了第一个脉冲星，并以某种精度测得它在天球上的位置后，人们紧接着就用光学望远镜搜索它，结果是在射电指定范围内找到一颗完全正常的恒星。这颗星显然和来自这个方向的射电辐射无
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　　关，脉冲星本身并没有找出来。1968年秋，在蟹状星云的方向发现了周期只有3％秒的脉冲星信号，就是说，公元1054年中国…日本超新星的爆后残云还给人们送来了脉冲星辐射！蟹状星云方向的一批星状天体（见图7…6与图8…5）之中是不是有某一个和脉冲星有关？它们之中是否有一个正是脉冲星？■■■一批恒星之中，是否有一个在发出射电脉冲，这是怎样判断的呢？莫非它的光学波段辐射也是脉冲式的？对于这样暗弱的天体，目视观测决不可能区分它的辐射是连续不断地还是脉冲式发射的。用照相方法更是不行，因为那是把一颗星光的作用在底片某处累积起来，而不管它是均匀不变地还是以脉冲的形式射出来。可见要确定某一恒星的可见光是否脉冲式辐射，需要特殊技术。从原理上来看，不妨在望远镜后面装上一台电视摄影机，并且做成能把光学图象从电视摄影机传送到两处电视屏幕上（见图8…6）。根据射电脉冲我们已经知道脉冲周期，那么可以做成前半周期在屏幕A上，后半周期在屏幕B上显示出电视图像。如果某天体的可见光以射电脉冲的周期明暗交替变化，那么可以使脉冲总是传到电视屏幕A上，而把它不发可见光的无脉冲区段传到屏幕B上形成空白点。那些不按交替传像周期发节奏脉冲的光源，就会在A、B屏幕上显得一样亮。这样，只要对比一下这两个电视屏幕上的图像，就可以判断，是不是有某一颗星在发着以射电脉冲周期为节奏的脉冲式光信号。看见了蟹状星云脉冲星正是用了上述方法，人们找到了它。所用仪器的工作原理不变，不过是在有关天区中对每颗星逐一检查，而不是对比一整张天空图像。不是把待查星的光信号分传到几张电视屏幕上，而是按蟹状星云脉冲星的周期送入几台光子计数器中。这种测试装置的要点可见图8…7。对上的星如果是平稳发光，装置中所有各计数器记录的光子数就大致相等。对上的星如果是以蟹状星云脉冲星的周期在发射光脉冲，那么在每一周期中只有那些恰好总在脉冲来到时接收信号的计数器才起作用，而其余的计数器则并无反应。如果按上述方式把脉冲星的光在许多倍脉冲周期的一段时间里传送到各计数器上，那么，遇到脉冲而受光的那些计数器显示的数字愈来愈大，而其余的计数器至多只是接收一点微弱的夜天光，记录的数字只会很小。这种情况称为计数装置中有一脉冲在“累加”。■
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　　1968年11月，威廉·约翰·科克（Cocke）和迈克尔·迪斯尼（Disney）两位年轻天文工作者决定向亚利桑那州图森地区斯蒂沃德天文台的90厘米反射望远镜申请三个观测夜。由于两人都还缺乏天文观测经验，想利用这几夜熟悉望远镜。当他们还在思考观测对象时，学术刊物“科学”在12月初登出了发现蟹状星云脉冲星的报道，他们就决定把分配到的观测时间用来搜索蟹状星云脉冲星的可见光辐射。正好那时在研究所里就有一台现成的计数装置可用，那是唐纳德·泰勒（Taylor）为了与此毫不相关的用途所制作的。于是他连人带电子仪器作为嫁妆加入了搜索小组的行列。这样，技术方面已经一切就绪；可是搜索计划成功的希望不大。虽然从未有人成功地证实过脉冲星为可见恒星，但科克和迪斯尼的打算是最低限度总可以学一学使用望远镜，至少还可以这样来检验泰勒的电子装置。1月初，这套测试设备在基特峰装就。1月11日，诸事齐备，望远镜首次指向蟹状星云。对每一对象星都测到5000倍脉冲星周期以上，同时把光信号按射电脉冲周期传送到若干计数器上。结果，在搜索区内并没有什么星使计数器中累加起一个脉冲来。泰勒在1月12日回图森去了。于是只有科克与迪斯尼留在山上，另外还有管电子仪器的罗伯特·W·麦卡利斯特（McCallister）帮忙。1月12日，天气开始变坏，仍旧没有结果。接下来的两个观测夜，也就是分配给这一项目的最后两夜，由于恶劣天气而报销了。事情看来仍无成效。偶然的良机往往产生深远的影响。1月15日起轮到使用这架望远镜的观测者威廉·G·提夫特（Tifft）为运气不佳的新手又提供了1月15、16日两夜的机会，使他们能继续试验。下面我援引迪斯尼本人的描述：“15日白天有云，但黄昏时云退天晴，20点正我们开始工作。泰勒还在图森，科克和我轮流操作望远镜，麦卡利斯特管着泰勒的仪器。第一步，我们先试测没有星的天空背景。第二步，我们就把瓦尔特·巴德（WalterBaade）认作蟹状星云中心星的那颗星放入仪器光阑中。才过了30秒钟，计数器上就显示出一个清楚的不断增长的脉冲，并且显然在主脉冲后半个周期还出来一个较小的、相当宽而没有主脉冲那样高的次脉冲。这时候，麦卡利斯特平心静气地继续操作着仪器，科克和我却时而欣喜若狂，时而沮丧万分，不能自己。这是脉冲星呢，还是我们碰到了电子仪器的某种干扰？何况脉冲星频率又恰好是美国交流电源频率的一半。可是，测试一再重复，脉冲丰姿就一再重现，气氛更热烈了。20点30分，也就是观测开始后半小时，我打电话通知泰勒。他起先抱怀疑态度，提出要改装电子仪器以消除可能存在的弊病。直到第二个夜晚亲眼看到脉冲累加，他才信服了。22点10分我们打电话告诉了各自的妻子，她们一听就想马上上山来看，好不容易才劝住了她们。1点22分，雾蒙蒙的夜空结束了这场观测。圆顶里三名观测者毫不怀疑，他们幸运地发现了第一颗光学脉冲星。”■
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　　很快就有另外一批观测者来证实这项发现。图8…8的两幅图像是按图8…6所示的原理得到的。那么右边这幅图像中所缺的脉冲星也就是图8…5中心附近两星中的偏下一颗，它的位置用图右边缘和下边缘的记号标出。根据图8…5就能在展示蟹状星云全貌的图7…6中把脉冲星辨认出来。什么是脉冲星脉冲星和超新星爆发有某种联系，这在蟹状星云脉冲星发现后已经明确。看来，发生超新星爆发后，恒星的残余部分就发出脉冲星信号。星空另有一处的气体现象反映从前曾爆发过超新星，而恰好在该处发现了又一颗脉冲星。这桩事也加强了那样的设想。显然，这一事件要追溯到很久以前：船帆星座中这一超新星爆发的年代应该比蟹状星云超新星爆发早得多，因为它抛出的气体物质在天上看来已经不是小小一点，而是布满了一广阔空间范围的许多条纤维状气体丝。这颗脉冲星的周期为0。09秒，比蟹状星云脉冲星长。它是已知第三名快速脉冲星。它刚一出现，人们就着手在可见光区寻找它。直到1977年，这项搜索才告成功，2月9日“自然”编辑部收到的这封宣布成功证实船帆脉冲星为某一恒星的投稿信，是由12位作者签名的。只要想一想，在此之前的8年中除了在英国和澳大利亚工作的这12位获得成功的科学家之外，还有大批天文学家曾动用世界上效能最高的望远镜，搜寻以船帆脉冲星的节律发光的恒星，却都宣告失败，就能体会这场搜捕会战是何等艰巨。还有，曾参加蟹状星云脉冲星观测的迈克·迪斯尼，这次也在成功队伍之列。用可见光寻找所有别的脉冲星至今一无所获。这使人们形成如下的印象：恒星发生超新星爆发，产生了脉冲星。一开始时脉冲周期比蟹状星云脉冲星还要短。它既发出射电脉冲，也发出光脉冲。随着年代的逝去，脉冲节律逐渐变慢。过了不到1000年，周期变长到蟹状星云脉冲星那样，再过许多年变成和船帆脉冲星那样长。随着脉冲周期的变长，它的可见光也同时变得愈来愈暗。后来，它的周期达到了1秒以至更长，光学脉冲早已消失，可是射电波段还能测到。因此只有两个周期极短的脉冲星才看得见。两者属最年轻之列，连它们的爆云残烟都还在目。而那些较老的脉冲星早就丧失了它们的可见光辐射。可是，脉冲星究竟是什么？一颗恒星以巨型爆发结束生命时，剩留的是什么？我们已经知道，产生脉冲星辐射的空间范围一定是非常小的。那么，为了解释脉冲星现象，试问在一很小