科学家刚刚发现的“白矮脉冲星”究竟是什么星？-ag凯发真人

炽热发白的白矮星（图片来源：https://www.spaceanswers.com/deep-space/five-amazing-facts-about-white-dwarfs/）

对于很多读者尤其是喜欢天文的读者而言，“脉冲星”与“白矮星”都是比较熟悉的概念。脉冲星与白矮星都是恒星死亡后的产物，都具有非常高的密度。那么，科学家近期发现的“白矮脉冲星”又是什么？它们本质上是白矮星还是脉冲星？它们是怎么产生的？

这是赛先生2017科普创作协同行动的第4篇文章。

撰文：王善钦（加州大学伯克利分校天文系）

审校：张双南（中国科学院高能物理研究所）

高温而黯淡的白矮星

白矮星为什么被称为“白矮星”？因为它们又白又矮。它们温度高，因此颜色是白的；它们亮度很低，因此被称为“矮星”。星体温度越高，亮度越大；星体表面积越大，亮度也越大。白矮星的温度很高，那么它们理应很亮，但事实上它们很暗。这又是为什么呢？这是因为：它们的表面积太小了。

因为表面积小，所以半径也就小，体积也就小，它们的体积与地球差不多。既然如此，它们应该很轻了吧？并不是。它们其实很重，大约有一个太阳那么重，因此有几百万个地球那么重。由于它们的体积和地球差不多，所以白矮星的密度是地球密度的几百万倍，只要一根小指头那么大，就有上万斤。

白矮星是怎么来的？从与太阳差不多大的那些恒星，到质量低于8个太阳的恒星，它们在烧完星体中心可以燃烧的氢之后，就会点燃核心的氦，在中心烧出碳和氧，最后，它们的中心收缩为一颗碳和氧为主的白矮星。还有一些质量很低的恒星，中心烧出氦之后，因为温度不够高，无法烧出碳和氧，它们就形成了氦为主的白矮星。

宇宙中一些碳氧白矮星就是一颗颗巨大的钻石。我们的太阳在几十亿年以后就会在中心形成一颗碳氧白矮星。这些巨大的钻石有地球那么大，但有太阳那么重。当然，氦白矮星没有这份“荣耀”，因为钻石的化学成分是碳。

图1. 碳氧白矮星（右）与地球（左）差不多大小，就像一个巨大的钻石。（图片来源：youtube视频giant planet sized diamond found floating in space截图）

第一颗白矮星于1910年被russell、pickering与fleming通过光谱分析正式确认。天文学史上最著名的白矮星是天狼星a的伴星——天狼星b，图2为哈勃太空望远镜拍摄出的天狼星a与b的图像。

图2. 天狼星a与b的图像，箭头所指为白矮星——天狼星b（图片来源：nasa/esa）

白矮星的质量不可以无限大，绝大多数白矮星的质量不会超过1.4太阳质量，除非有快速的旋转或者强烈的磁场。这个质量最大值被称为“钱德拉锡卡极限”，因为钱德拉锡卡首先计算出大概的数值。两颗与太阳差不多质量的白矮星撞击，或者一颗白矮星吸取了过量的物质，都会导致质量超过这个极限，进而导致猛烈的核聚变爆炸（热核爆炸），形成热核爆炸超新星，其光谱型被称为“ia型”，所以也被称为ia型超新星，公元1006年被观测到的著名超新星就是这么爆炸而来的。

中子星与脉冲星

1932年，chadwick在试验中发现了中子。不久后，landau提出，宇宙中有一种星体几乎完全由中子组成，这就是中子星。1934年，baade与zwicky提出，超新星爆发后会留下中子星。

要想让星体成为中子星，就要求组成星体的原子中的电子必须被压入原子核中，与原子核中的质子结合为中子，这样，整个星体就几乎全是中子。当星体被压缩到这种程度时，它的密度就可以与原子核密度相提并论。一个太阳那么大的星体，如果被压缩为一个中子星，它的半径就只有大约10公里。那么它的密度不仅比普通物质高得多，也比白矮星的密度高得多。

在中子星的概念被提出之后的40多年间，大多数天文学家不相信宇宙中有中子星，这期间，最重要的理论工作就是：奥本海默（原子弹之父）与合作者研究了中子星的性质，断定中子星有一个最大质量，这个最大质量被称为“奥本海默极限”。后来的学者修正了这个研究结果，断定这个极限质量大约是2到3个太阳质量。

1967年11月28日，hewish的研究生bell在监测hewish与ryle建立的射电望远镜阵列接受的辐射信号时，发现了一个周期性变化的信号，就像脉搏跳动一样，周期为1.33秒。

尽管二人一开始开玩笑地认为这是传说中的“外星人（小绿人，little green men，lgm）”发出的信号，但在1968年的一期《自然》（nature）杂志发表的论文中，他们依然严肃地猜测这可能是白矮星或者中子星的闪烁辐射。同年，gold在下一期的《自然》杂志用中子星的“灯塔模型”解释了这个信号，这个源也被命名为“脉冲星”。因此，这是第一颗被发现的脉冲星，也自然是第一个被发现的中子星。

图3. bell记录下的第一个射电脉冲信号，横坐标跨度为20秒，脉冲信号（凹陷处）周期为1.33秒（图片来源：mullard radio astronomy observatory）

什么是“灯塔模型”？在理解这个模型前，先从我们在初中时就知道的一个事实谈起：地球的自转轴（地理的南北极所在的轴线）与地球的磁轴（磁场南北极所在的轴线）不重合，有一个磁偏角。

中子星也类似，也有磁偏角，这导致其磁轴不断移动（图4），使得辐射并不对准一个方向而是沿着磁极方向发出的，地球上的观测者每隔一个时期接受到这个中子星的辐射，因为是周期性地收到辐射，因此将其命名为“脉冲星”。这就如海岛上的灯塔中的灯在旋转，海面上的船只会周期性地接收到灯塔发出的光。因此，这个模型被称为“灯塔模型”。 

图4. 中子星的灯塔模型可以解释脉冲星（图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/pulsar）

从此人们就认定宇宙中存在中子星。今年恰好是中子星被发现50周年。1974年，hewish与ryle分享了诺贝尔物理学奖，hewish的获奖理由是“在发现脉冲星时的决定性作用”。（注1）

简单说，脉冲星就是快速转动的中子星。它们的磁场非常强，因此会沿着磁轴方向发出大量辐射，同时转动变慢。在这个过程中，将自转能转化为辐射。如果它们的辐射周期性地扫过地球，因而被地球上的望远镜或者地球上空的卫星观测到，它们就被人类称为“脉冲星”。

因此，“脉冲星”这个叫法本身并不能体现出这些天体的本质，它们本质上其实是中子星。（注2）如果有些中子星的辐射始终没有朝向地球，但通过其他方式被人类发现，那就只能被称为“中子星”，而不能被称为“脉冲星”。

质量是太阳8倍以上的恒星，有一大部分最后会爆炸为超新星，这样的超新星，大多数会留下中子星。例如，公元1054年被观测到的超新星，爆炸后就在中心留下了中子星，它发出的辐射照亮了它的遗迹（蟹状星云），如图5。由于中子星自身极小，因此在图中无法被看到。

图5. 蟹状星云中心的中子星的辐射照亮了蟹状星云（图片来源：nasa/esa）

白矮脉冲星：白矮星中的战斗机

在我们理解了中子星与脉冲星的关系之后，我们就可以看看白矮星与白矮脉冲星的关系了。

当白矮星也有强大磁场，且也有磁偏角时，它发出辐射的行为，也会像（中子）脉冲星一样。可见，白矮脉冲星就是“辐射行为像（中子）脉冲星的白矮星”。此前人类发现了大量白矮星，但没有一颗具有这样的行为，因此都被认定为普通的白矮星。

现在，人们首次发现了白矮脉冲星，它们就如同白矮星中的战斗机。因此，从现在开始，我们可以将脉冲星细分为“中子脉冲星”与“白矮脉冲星”，前者就是我们熟悉的“脉冲星”。不过，现在没有如此严格区分命名，这是因为“中子脉冲星”在过去50年中已经被大量发现，而“白矮脉冲星”只是首次被发现。

如果从一开始发现的“白矮脉冲星”就和“中子脉冲星”一样多，那么这两个概念就是平等的概念，“脉冲星”这个称呼也不会被“中子脉冲星”所独占了。

就如我们平时一说爱因斯坦，指的是阿尔伯特·爱因斯坦，而提到他的大儿子汉斯·爱因斯坦时，必然要称呼完整的姓名。如果父子俩一样有名，我们还真的要区分“阿尔伯特·爱因斯坦”和“汉斯·爱因斯坦”，至少也得是“老爱因斯坦”与“小爱因斯坦”。

第一个被发现的白矮脉冲星

白矮星在一百多年前就已被发现，但“白矮脉冲星”却直到去年才被发现。今年1月23日，发现“白矮脉冲星”的相关的研究论文正式在《自然·天文》（nature astronomy）出版，作者分别是buckley（南非天文台），meintjes（南非自由州大学物理系），potter（南非天文台），marsh（英国华威大学物理学）与gänsicke（英国华威大学物理学）。我们来看看这个“白矮脉冲星”是怎么被发现的，有什么特点。

首先，在天蝎座方向、距离地球380光年的地方有一个变星，它被命名为“ar scorpii”，简称为“ar sco”。这个变星的亮度变化的周期是1.97分钟，约等于2分钟。每隔2分钟，这个变星从紫外到射电的各个波段都出现一次变化。

其次，buckley等人仔细研究了ar sco的亮度变化行为，断定它由两个天体组成，即，这是一个双星系统，这个双星系统的两颗星的距离为140万公里，是地球-月亮平均距离（约38万公里）的近4倍，不到地球与太阳距离的百分之一。由于星体距离非常近，这颗双星系统围绕共同中心公转的周期大约是3个半小时。

然后，buckley等人推断出，这个双星系统中的一个星体是一个“红矮星”，质量是太阳的0.3倍。正是这颗红矮星的亮度变化，导致ar sco的亮度变化。

那么，是什么导致这个红矮星的亮度出现这样的变化呢？buckley等人推断出，这个双星系统的另一颗星体是一颗“白矮脉冲星”（好了，终于到重点了！），这颗白矮星的质量是太阳的0.8倍，是伴星质量的近3倍。这颗白矮星的自转周期是2分钟。

buckley等人认为，这个白矮脉冲星（白矮星）的转动周期在增加（转动速度在减小），每隔10万年转动周期增加1秒多。这导致其转动能减少。由于能量守恒，损失的转动能必须有一个去处，这个去处就是变为强烈的辐射。

这颗白矮星辐射的亮度约为太阳亮度的0.4倍，但却是其伴星（红矮星）亮度的十几倍。由于存在磁偏角，所以辐射方向周期性变化，每隔2分钟扫中红矮星一次，导致红矮星急剧变亮，辐射离开后，红矮星亮度降低。以两分钟为周期，不断变亮变暗。

图6. 白矮星的辐射周期性地扫过伴星（红矮星）（图片来源：华威大学（university of warwick））

因此，buckley等人是通过红矮星亮度的周期性变化，间接确定出有这么一个白矮脉冲星（白矮星），而不是直接接收到它的辐射。这与50年前bell发现“（中子）脉冲星”的情况是不一样的，上面说过，“（中子）脉冲星”的射电辐射是被射电望远镜直接接收到的。

白矮星与一个气态的恒星组成双星系统时，经常会从气态伴星那里窃取（“吸积”）物质。作者们根据光谱特征和x射线亮度，推断出，这个白矮星没有或者几乎没有这种窃取行为，它反过来将自己发出的辐射送给了伴星。

总结

白矮脉冲星本质就是一个白矮星。由于转动变慢，它将其转动能转化为辐射。由于存在磁偏角，所以它的辐射周期性扫中它的伴星，导致伴星亮度出现周期性的强烈变化。

我们甚至可以很合理地推测，之前发现的大量白矮星中，有一部分的性质与这次发现的星体性质很类似，只不过它们的辐射没有扫中合适的伴星并使后者出现剧烈变化，因此无法确认出它们“类似于脉冲星”的性质。

而这次，buckley等人很幸运地通过一个双星系统构成的变星，发现了这样一颗奇特的星体，它像人们熟悉的“（中子）脉冲星”一样发出辐射，因此被命名为“白矮脉冲星”。但正如“（中子）脉冲星”本质上是中子星一样，“白矮脉冲星”本质上就是白矮星，并不特别神秘。有时候，（中子）脉冲星会与白矮星形成双星系统，图7为此类系统的艺术想象图。左边体积较小的是（中子）脉冲星会，右边体积较大的是白矮星。要注意，二者的比例并没有按照真实比例画出，因为中子星的半径就10公里，而白矮星的半径有几千公里，如果照着比例精确画出，二者的大小差距将大得多。

图7. （中子）脉冲星与普通白矮星组成的双星系统个艺术想象图（图片来源：b. saxton（nrao/aui/nsf））

相关阅读：

新发现“白矮脉冲星”的相关论文链接：http://www.nature.com/articles/s41550-016-0029

注释：

1. 很多人为 bell（她于1969年嫁给burnell，因此后来被称为burnell夫人）没有获奖而鸣不平，甚至认为hewish获奖是一个丑闻，窃取了学生的成果。其实，bell没有获奖固然是一个很大的遗憾，但hewish获奖是当之无愧的。这是因为在发现脉冲星的过程中，最关键的是hewish和ryle一起建立的射电望远镜阵（bell协助建立），没有这个阵列，当时就无法发现脉冲星信号。引力波于2015年被发现之后，频繁获奖的是为引力波探测器做出决定性贡献的三位领袖科学家，而不是记录下引力波信号的人员，也是类似的原因。不过，bell的作用显然要远超过记录引力波信号的工作人员，这个类比自然未必很恰当，但原理是类似的。bell本人对自己没有获奖没有公开发表批评，当时也表示了支持诺贝尔奖委员会的决定。但是在很久以后接受采访的时候，她曾经表示过，“我怀疑这与我的女性身份有关，但看上去更像是与我的学生身份相关”，她也认为当时的诺贝尔奖委员会甚至不知道有她的存在。“也许世界本不公平，但重要的是，你如何看待并应对世界的不公。”此后的几十年间，她不断被问起错失诺贝尔奖对她造成的影响，然而她本人却并不愿意卷入争议之中。

2. 也有学者认为脉冲星其实是夸克星，或者中子、夸克混合星/混杂星，这里为了简单起见，只采用中子星的说法。

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