旋转中子星作为脉动射电源的起源

戈尔德

编者按

在上一篇文章发表三个月后，托马斯·戈尔德发表了他对脉冲星工作原理的解释。他的模型包括三个要点：脉冲星实际上就是中子星；与此结构相关的是它一定具有很强的磁场；这种磁场会在光谱的微波（超短无线电波）波段产生很强的辐射。戈尔德认为：这些恒星的脉冲并不是由休伊什所假定的某种内部振荡产生的，而是因为磁场产生了“像灯塔中的信标一样不断旋转的定向波束”。他作了以下两项预言：脉冲星的旋转速率会随着时间的增长而有规律地缓慢下降；周期为1 s的那些脉冲星将代表着“分布范围中的慢端部分”。如今这两项预言都已被证实。英文

似乎有充足的理由相信，最近发现的脉动射电源 ^[1-6] 就是中子星。它们的脉动周期范围是1.33 s至0.25 s，没有任何理论上已知的其他天体能有这样短而且精确的周期。有人曾指出，这是一颗白矮星所可能具有的较低基频的高次谐波；但是，在每个重复周期内的若干短脉冲存在复杂精细结构的事实使这类解释不太可能成立。源的距离可大致由不同射电频率的星际色散给出，很显然基于每单位发射体积的发射强度一定是非常高的；发出单个脉冲的发射区域大小无论如何也不可能远远超过光在几毫秒时间内所传播的距离，这个时间即单个脉冲的长度。这样高的能量聚集度是不可想象的，除非存在着一个强大的引力场。英文

高度稳定的内禀周期也表明：我们面对的是一个大质量的天体，而不仅仅是某种等离子体结构。一亿分之一的精度应归入大质量天体的天体力学领域，而非等离子体物理学。英文

由维里定理可以推出：一颗恒星的振荡有一个最低阶的模式，其周期通常与该恒星以最快速度转动而不致破裂的周期属于同一数量级。1.5 s到0.25 s范围内的周期都要长于中子星的最低阶模式的周期。以这些周期旋转的中子星不会过度被压扁。而一颗中子星的脉动是否会有这样长的基频周期是值得怀疑的（参考文献7以及卡梅伦尚未发表的研究结果）。如果脉冲的重复频率是由转动周期决定的，那么观测到的脉冲的精细结构就代表了像灯塔中的信标一样不断旋转的定向波束。在不同的源中观测到了不同类型的精细结构，这只能归因于每颗恒星都各自有自己独特的非对称性（也许就像“太阳黑子”一样）。在这样的模型中，辐射强度随时间的变化将不会影响每个脉冲在重复周期内出现的精确相位——这确实是一个惊人的观测事实。一个重复周期内可能会出现由多个脉冲组成的精细结构，这只取决于该恒星周围的辐射区分布。同样，也可能会存在偏振的精细结构，因为每个区域都有可能产生不同偏振的辐射，或者被具有不同法拉第旋转的介质所覆盖。另一方面，单一的脉冲辐射区几乎不可能产生重复的偏振精细结构，目前的观测结果似乎与此相吻合 ^[8] 。英文

至今还没有足够的线索以确定射电辐射的机制。它可能是一个通过提取某种恒星内部能量源来获取自身能量的过程，因此和太阳活动一样很难进行分析。但是还有另外一种可能性，即辐射的能量来自于恒星的转动能（转动能很可能是剩余能源中最主要的），而射电辐射是由共转磁层中的相对论效应产生的。英文

在一颗有磁场的旋转恒星周围，通常会形成共转的磁层。在一定距离之外，外部影响将占主导地位，因而共转会停止。对于一颗表面有强磁场并且旋转速度很高的中子星，其共转延伸的距离很可能会接近于共转速度为光速时的距离。磁层内等离子体不能达到光速的原因在于，以接近光速运动的等离子体所发出的辐射会产生足以抵抗磁力的辐射反作用力。这种相对论性磁层的性质还没有被研究过；实际上我们对相对论磁流体动力学的理解也是非常有限的。照现在的情况来看，等离子体与电磁辐射场的耦合可能是磁层动力学行为的主要根源。英文

从目前的证据来看，脉冲在每个重复周期内占大约1/30的时间。这使电磁辐射区域大小的数量级被限制在“光速圆周”周长的1/30左右。同样，在径向方向上尺寸也一定很小。我们可以认为要小到足以使脉冲上升时间等于或大于光穿过辐射区的时间。这意味着，产生辐射的等离子体的运动速度小于光速的1%。对于有这样速度的区域，预计其辐射效应在任何情况下都会变得很重要。英文

这里暗含的轴向不对称性有待进一步讨论。一颗半径为10 km的中子星的表面磁场很可能会达到10 ¹² 高斯。对应于已观测到周期的“光速圆周”，其周长在4×10 ¹⁰ cm至0.75×10 ¹⁰ cm之间。在上述“光速圆周”处，磁场会降至10 ³ 高斯～10 ⁴ 高斯的量级（对于标准的偶极磁场，场强随距离的–3次方的减小而下降。此处场强随距离的下降要慢于–3次方，因为一个旋转的等离子体在离心力的作用下会拖曳磁场沿径向向外运动，所以场强随半径的–2次方的减小而下降。）。辐射的非对称现象可能源自于磁场或者等离子体的非轴对称性。倾斜的非偶极场极有可能是在产生中子星的超新星爆发过程中形成的；恒星表面的非均匀性或许就是出现特定力线束的等离子体的原因，在恒星表面可能会产生温度或能量足够高的等离子体，这些等离子体可以从表面的强引力场中逃逸（质子需要10 MeV～100 MeV；而空间电荷为中性的正负电子束所需要的能量则要低很多）。英文

观测到的脉冲幅度分布表明，幅度的变化不太可能由一种调制机制来解释（根据朔伊尔尚未公布的研究结果和康奈尔大学阿雷西博电离层天文台的观测结果），而必须用可变的发射机制理解这一效应。如果事实确实如此，那么所观察到的瞬时强度对频率的强烈依赖（观测频带发生1 MHz的改变会导致出现完全不同的脉冲幅度）就预示了一种非常窄频带的辐射机制，例如要比同步辐射窄很多。因为还必须符合能够从子脉冲长度估计得到的单位面积辐射强度，所以这应是一种相干辐射机制。这种相干机制将描绘出相对论性旋转区域内的非均匀静态电荷分布。因为磁场中静态电荷的非均匀分布比以不同速度高速运动的电荷的分布更容易建立和保持，所以这里讨论的非均匀分布也许对建立相干辐射机制非常有利。英文

如果上述基本构想是正确的话，就有可能发现观测到的重复频率会稳定地一点一点变慢。还可以由此猜测，具有较高频率的源要多于具有较低频率的源，因为中子星的旋转速度可以高达100/s以上。看来观测到的周期代表的是分布范围中的慢端部分。英文

在康奈尔大学进行的这项研究是与美国海军研究办公室签有协议的。英文

（岳友岭　翻译；于涌　审稿）