§1.4 超新星、超新星遗迹和中子星

在脉冲星发现以前，就有科学家预言超新星爆发可以产生中子星，把中子星与超新星及超新星遗迹紧密联系在一起．1967年发现脉冲星后不久，人们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．目前已经在银河系中发现近3000颗脉冲星，脉冲星与超新星遗迹的关系究竟如何呢？

1.4.1 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．它是正常恒星演化的终点，又是中子星和黑洞诞生的起点．但是只有Ⅱ型超新星才有可能产生中子星或黑洞．质量大于8～25 M _☉ 的恒星，在其核心部分的氢转变为氦的热核反应完成后，会继续进行碳燃烧、氮燃烧、氧燃烧、硅燃烧，直至中心变成铁核反应才中止．继而就会发生塌缩，导致Ⅱ型超新星爆发．其中心塌缩形成中子星，其外部则被爆发时形成的冲击波摧毁并向外弥散，与星际介质相互作用形成星云状超新星遗迹．爆发的能量是形成中子星过程中所释放的引力束缚能，量级为

式中的 M 和 R 是中子星的质量和半径．按典型的中子星参数计算，爆发的能量达到3×10 ⁴⁶ J．绝大部分（约99%）的能量被中微子流带走，约1%的能量转换为爆发时喷出物的动能，只有不到万分之一的能量转换为电磁波辐射，引力波带走的能量也只有很少的部分．

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．恒星核心塌缩触发的冲击波被致密核反弹后向外传播，大约要经过几个小时才传到恒星的外层，而到达恒星表面后，才会引起强烈的电磁辐射，亮度可增加17个星等，在几天内亮度增加几千万倍到几亿倍．因此有可能先观测到中微子流和引力波，然后才观测到超新星爆发产生的超强的电磁辐射．

有一类超新星归为Ⅰa型超新星，它们形成的机理完全不同，是由双星系统中的白矮星演变而成的．白矮星吸积了足够的来自伴星的物质，使其质量超过了Chandrasekhar极限而发生爆炸，导致彻底的毁坏，形成Ⅰa型超新星爆发．但是，在一种特殊的情况下，当大量电子被捕获有效地减少了Chandrasekhar质量极限时，白矮星可以塌缩为中子星．不过，这种方式形成的中子星数目很有限．

历史上发现的超新星都是肉眼可见的．查遍两千多年的历史文献，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约十次（见表1.1）．最早的记录可能是公元前48年中国记录到的“客星”，脉冲星PSRJ1833-1034和超新星遗迹SNR G21.5-0.9可能就是这颗超新星的遗留物（Wang, et al.,2006）．它们在视位置、年龄和距离上都比较一致．这可以说是人类观测到的超新星的最早记录．

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，有半个月亮那么亮，好几年都可以看见．最有名的当属中国古书记载的发生在1054年7月4日的超新星，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．1928年美国天文学家Hubble首次把金牛座中的蟹状星云与1054年的超新星联系起来，认为“蟹状星云是公元1054年超新星爆发后留下的遗迹”．从此这颗超新星被国际天文学界称为“中国新星”．正如天文学家所期望的，1968年在这个遗迹中发现了脉冲星．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“Tycho新星”和“Kepler新星”．实际上，我国古代资料对这2颗超新星也有记载，Tycho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．30多年来，天文学家在射电、光学和X射线波段对这两个超新星遗迹进行仔细观测研究，没有发现它们留下中子星．原来这两个超新星属于Ⅰa型超新星爆发，确实不会留下中子星．

自1609年发明天文望远镜以来，人们还没有在银河系中发现过一次超新星爆发．但是，在银河系中发现的超新星遗迹的数目却不断增加，至今已有274个．这说明银河系中发生的很多超新星爆发在地球上没有观测到．这可能是因为银道面上的气体和尘埃云遮挡了超新星爆发发出的电磁波辐射．目前关于超新星产生率研究的结果很不相同．按照银河系中的超新星遗迹的分布来估计超新星的诞生率，其研究结果也不尽相同．一种估计是大约18～42年产生一个（Leahy& Wu,1989）.这个结果估计的诞生率比其他研究结果要高，但与其他学者估计的河外星系中超新星诞生率比较一致．综合各个研究结果，银河系中每18～1000年诞生一个超新星．

由于监测超新星爆发的方法有很大的改进，现在每年都可以发现河外星系中的上百个超新星．1987年2月23日观测到的大麦哲伦云中的超新星是最著名的，被称为SN1987A，离我们约50kpc，是离地球最近的银河系外的超新星爆发，视星等为5等，肉眼勉强可见．与以往超新星的观测不同，天文学家动用了所有波段的观测手段长期监测，包括X射线、γ射线、光学、射电的观测，还有中微子和引力辐射的检测．人们以各种观测手段监视这颗超新星的遗迹的演变情况，获得了十分宝贵的信息，第一次也是目前仅有的一次观测到了超新星的中微子暴．天文学家最期待的是能在SN1987A的遗迹中找到脉冲星或黑洞，但是，所有努力都还没有成功．

1.4.2 超新星遗迹和脉冲星成协

超新星遗迹是爆发时抛出的物质在向外膨胀的过程中与星际介质相互作用而形成的展源．按形态，超新星遗迹大致分为三类：壳层型、实心型和复合型．

壳层型超新星遗迹具有壳层结构，中央没有致密天体的辐射源．这一类型的超新星遗迹很多，占已发现遗迹中的80%以上．著名的Tycho超新星（SN1572）、Kepler超新星（SN1604）、SN1006的遗迹都属于此类型．壳层结构反映了超新星爆发时抛射出的物质与周围星际介质的相互作用，其光谱在X射线和光学波段大多具有热辐射的形式，在射电波段表现为非热幂率谱．

实心型超新星遗迹没有壳层结构，中央具有致密天体提供能量，其光谱在X射线和射电波段上均表现为非热幂率谱，其典型代表是蟹状星云．

复合型超新星遗迹结合了壳层型和实心型的特点，既具有提供能量的中央致密天体，又具有抛射物与星际介质作用形成的壳层结构，典型的遗迹是船帆座超新星遗迹．

实心型和复合型超新星遗迹都可以视作是由Ⅱ型超新星爆发产生的，其中心致密源由引力塌缩形成，外部是否存在壳层主要取决于星际介质的密度．

1968年，人们首先在超新星遗迹船帆座星云的边缘发现了一颗脉冲星PSR B0833-45，周期很短，为0.089s，年龄约为11000年．由于脉冲星有很高的自行速度，它从超新星遗迹的中心跑到了边缘．同年，在蟹状星云中心处找到了脉冲星PSRB0531+21，周期更短，为0.033s，年龄约为1000年．

第3颗与超新星遗迹成协的脉冲星是PSR B1509-58，这颗脉冲星是空间X射线卫星首先观测到的，尔后在射电超新星遗迹SNR G320.4-1.2中找到这颗脉冲星，其周期与X射线脉冲的一样是150ms，测得到年龄约为1500年．图1.8是PSRB1509-58与之成协的超新星遗迹，该遗迹的射电辐射形态不同寻常，由两个分离的射电展源组成，脉冲星则处在X射线辐射展源的中心．

尽管天文学家努力搜寻，但找到的与超新星遗迹成协的脉冲星仅占脉冲星总数很少的一部分，其主要的原因是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10 ⁴ ～10 ⁵ 年，而观测到的大多数脉冲星的年龄远远超过这个值．第二个原因是脉冲星有比较大的自行速度，目前已有400颗脉冲星有自行观测结果，大部分脉冲星速度为每秒几百千米，有的甚至达到每秒3000多千米．年龄比较大一些的脉冲星，很可能已经跑出超新星遗迹之外．如果自行速度更大一些，很可能已经远离它的遗迹了．

由于绝大多数Ⅰ型超新星不可能产生中子星，因此脉冲星只能与Ⅱ型超新星遗迹成协．但大多数Ⅱ型超新星遗迹中也没有找到脉冲星，其原因也可能在于脉冲星灯塔式的辐射，只有大约20%的脉冲星的辐射锥可能扫过我们地球．

21世纪开始的头十年，观测研究超新星遗迹和中子星成协的努力取得重大进展：随着射电观测灵敏度的提高，有些超新星遗迹中的原来观测不到的脉冲星检测到了；有些超新星遗迹中很弱的部分被观测出来，成协的例子增多了．大部分年轻的射电脉冲星都找到了相联系的超新星遗迹．

1.4.3 脉冲星风云（PWN）

蟹状星云脉冲星的发现解决了蟹状星云的能源之谜．这颗脉冲星自转周期为33ms，周期变化率为4.209599×10 ^-13 s/s，磁场为4×10 ¹² G．计算得知这颗脉冲星的自转能损失率和磁偶极辐射都大大超过了蟹状星云辐射的总功率，成为蟹状星云所需的能量、磁场和高能电子提供者．然而，仍然缺乏脉冲星提供给星云能量和高能粒子的观测证据．

1995年开始，Hubble空间望远镜多次观测蟹状星云及其脉冲星，首先获得脉冲星与周围介质之间相互作用的图像．观测发现在脉冲星附近的星云中存在不断变化的纤维状亮条，这是被脉冲星发射出来的高能带电粒子轰击所致．如图1.9所示，从1995年12月9日、1996年2月1日、1996年4月16日的三张照片可以看出，亮条的亮度和形状在几个月中有明显的变化．

蟹状星云和船帆座星云中的脉冲星风云是由ChandraX射线天文台的观测首先确认的．这两个风云的形态和特性很不相同．图1.10是蟹状星云及其中的脉冲星风云．共有4张图：（a）为NRAO的射电观测结果，为高能电子的同步辐射．可以看出，沿着星云中的纤维状物质的辐射比较强．（b）为ESO的光学观测结果，也是高能电子的同步辐射，由蓝-黄色表示，被纤维状物质发出的谱线辐射（红色）所包围． （c）为由射电（红）、光学（黄）、X射线（蓝）三种观测结果综合获得的图像．（d）为CXC的X射线观测结果，给出脉冲星风云的结构（喷流、节点、内环和环状小束）.位于中心的X射线点源即蟹状星云脉冲星，内环的内径约10光年，比太阳系要大20倍．喷流垂直圆环面．辐射显示非热辐射特性，属于高能带电粒子的同步辐射．在风云中没有热辐射的结构．图（a）、（b）和（c）上的尺度棒长是2′，而图（d）的尺度棒长是20″．脉冲星风云只是超新星遗迹中脉冲星附近很小的区域．

脉冲星风云是由脉冲星的星风与周围介质相互作用形成的．所谓星风，实际上是高能带电粒子流，它们因为中子星快速自转和非常强大磁场而被加速．脉冲星星风与周围介质作用产生冲击波，磁化的粒子流发出X射线波段的同步辐射．对于年轻的脉冲星，脉冲星风云常常在超新星遗迹的壳层之内发现．但是对比较老的脉冲星，包括毫秒脉冲星，它们相联系的超新星遗迹已经消失，但也曾发现它们的脉冲星风云（Stappers, et al.,2003）.

由ChandraX射线天文台观测发现的船帆座脉冲星风云如图1.11所示，位于中心的X射线点源，即船帆座脉冲星、脉冲星两极的喷流和在脉冲星赤道周围的弧状的X射线辐射．

脉冲星PSRB1509-58处在超新星遗迹G320.4-1.2之中，脉冲星风云由ChandraX射线天文台观测得到．其形态与船帆座和蟹状星云脉冲星风云有相似之处，在脉冲星自转轴方向上的X射线喷流，赤道方向上的X射线光弧和脉冲星附近的多个致密节点（Bryan, et al.,2002）.

目前已经发现43个由X射线的观测获得的脉冲星风云，其中蟹状星云脉冲星风云、船帆座脉冲星（PSR B0833-45）风云、PSR B1509-58风云和超新星遗迹G54.1+0.3中的牛眼脉冲星风云最为有名．前3个脉冲星风云都是先发现超新星遗迹中的脉冲星，然后通过Chandra X射线天文台观测发现它们的风云，而牛眼脉冲星则是在发现风云以后发现的（Lu, et al.,2002）.

2001年6月中国年青学者卢方军博士牵头的国际合作小组利用ChandraX射线天文台观测超新星遗迹SNR G54.1+0.3，发现了类似蟹状星云脉冲星风云一样的结构，有中心的X射线点源、赤道方向的圆环及两条喷流，其形态像一只牛眼．他们推定其中必然有一颗中子星，但是并没有发现脉冲星的存在．之后他们申请了Arecibo射电望远镜观测，于2002年4月发现了风云中心的脉冲星PSR J1930+1852，自转周期为137ms，年龄约为3000年．这颗脉冲星因其风云形状而被命名为“牛眼脉冲星”（见图1.12）．由于Chandra X射线天文台在成像观测模式下的时间分辨率为3.2s，比脉冲星周期长得多，因此不可能获得X射线脉冲周期信息．牛眼脉冲星风云与蟹状星云脉冲星风云很相似，有完整的环和喷流，也没有观测到热辐射成分．

脉冲星风云的形态多样，真可谓多姿多彩，这将对目前的理论模型提出挑战，留给理论研究的问题很多．脉冲星风云的发现给超新星遗迹与中子星成协的研究增加了一个新的途径和方法，如牛眼脉冲星的发现就是一例．目前已经发现的一批脉冲星风云中大多数都已发现了其中的脉冲星，但也有一些并未观测到脉冲星或中子星．天文学家相信，脉冲星风云是脉冲星发出的高能带电粒子产生的，在脉冲星的风云中必然会有一颗中子星存在．

目前已发现至少有50个超新星遗迹有中子星存在，50个超新星遗迹中有19个与射电脉冲星成协，21个与X射线脉冲星风云及其中的脉冲星成协，有10个与反常X射线脉冲星、软γ射线重复暴等中子星品种成协（田文武，2004）. TidSVi2gOYb0MJAZuV49jwX08m6pH3A6r4tQCuz2MELnwCcalqMDgxUxUyuNTkOh