发现深空的脉冲星

骑UFO看外星人

本文选自《中国国家天文》杂志：由于发现了希格斯玻色子，人造粒子加速器最近占据了各大媒体的头条。但是天文学家们知道，在宇宙深处潜藏着更强大的加速器。这些宇宙加速器产生的粒子释放出的高能辐射，并已被NASA的费米γ射线空间望远镜探测到。旋转的中子星被称作脉冲星，在我们的银河系中，它们是这类辐射最显著的来源。而在银河系以外，正在吸积物质并径直向我们射出喷流的特大质量黑洞（耀变体）则是最常见的明亮γ射线源。

但还有一类最神秘的辐射源，它们为数极少，是几个无法归入前两类的辐射γ射线的天体。天文学家已经为此提出了若干种解释，从遥远的星系到相互湮灭的暗物质团块，但迄今没有一种模型可以令人信服地描述所有这些辐射源。

新的发现正在为解开这一谜题提供线索，暗示其中部分γ射线源是一种特殊类型的中子星——“黑寡妇”脉冲星，它们正在使自己的伴星蒸发。令人惊讶的是，这一发现并非来自专用于探测此类辐射源的高能空间望远镜，而是来自标准的地面望远镜，它们可以捕获来自伴星蒸发过程的可见光。事实上，蒸发过程不仅是可见的，而且非常壮观——在一些案例中，业余级装备即可记录下这些宇宙加速器的死亡辐射。

死亡与复生

当一颗大质量恒星爆炸而形成超新星时，其核心会塌缩为一颗直径仅30千米的中子星，密度则可达水的100万亿倍。这个塌缩的核心经常被极强的磁场穿过，并以不到0.1秒的周期疯狂旋转。在磁场和旋转的共同作用下，在星体两磁极上方的加速带中，带电粒子被加速至接近光速。在这些粒子横穿恒星磁场的过程中，所携能量中的一小部分转化为辐射的波束，剩余部分则以相对论性（接近光速）星风的形式奔涌而出。

近50年前，我们就探测到了这种波束，它们是随着中子星的旋转过程而扫过地球的。它们经常以射电波闪耀的形式到来，就好像一道道恒星灯塔的闪光。尽管我们所发现的大多数脉冲星都呈现为射电源，但高能脉冲星可以释放出遍及整个电磁波谱的辐射，其中包括γ波段的极强脉冲。显然，每一颗脉冲星的波束背后都存在一部强大的粒子加速器，但只有γ射线波束才意味着存在最强大的脉冲星。

当然，这样大的能量并不是毫无代价的。随着时间推移，脉冲星的自转渐渐变缓，加速器被削弱。在最初1000年左右的时间里，相对论性的粒子风可以驱使一个明亮的星云诞生，例如蟹状星云（M1）。γ射线波束可以在大约100万年的时间中维持活动。在1000万至1亿年后，能量不高但很容易探测到的射电脉冲也逐渐消失。这颗中子星就渐渐退化成一座脉冲星的坟墓，并冷却为一团黑暗无光的矿渣。

然而，有些脉冲星却会焕发“第二春”。假如一颗脉冲星诞生于双星系统中，它的伴星会在数百万年甚至数十亿年后充分演化，开始向那颗长期沉寂的中子星转移自身物质。被吸积的物质撞击死亡恒星的残骸，使其以数毫秒一周的速度自转，从而重启粒子加速器和辐射波束。

当Don Backer（加州大学伯克利分校）及其同事在1982年发现了一个脉冲周期为1.6毫秒的射电源时，这一消息在高能天体物理界引起了轰动。这颗天体的自转速度比蟹状星云脉冲星快20倍，而后者是此前所知的自转最快的脉冲星。这颗脉冲星没有近期超新星爆发的迹象，因此使许多天文学家倍感困惑：它为何如此充满活力，在孤寂的灿烂光辉中以每秒642周的速度疯狂旋转？它一定是以某种方式重新复活的，但是那颗哺育它、使其周期如此之短、赠予它第二次生命的伴星又在何处？

“黑寡妇”的饕餮胃口

1988年，Andrew Fruchter及其同事（当时都隶属于普林斯顿大学）发现了脉冲星PSR B1957+20，就出现了关于这一谜题的一个可能答案。这颗毫秒脉冲星正在与一颗质量很小的伴星以9.2小时的轨道周期相互绕转。很显然，这颗高能脉冲星的星风似乎正在加热其伴星并使之膨胀，导致物质脱离伴星表面，并使伴星的质量下降到了亚恒星天体的级别。伴星使这颗高能的毫秒脉冲星从坟墓中起死回生，而后者却好像在忘恩负义地将自己的恩主蒸发。人们用“黑寡妇”来称呼这种双星系统脉冲星，这个流行的绰号源自一种雌性蜘蛛，据说它们会在交配完成后吃掉自己的配偶。

这颗“黑寡妇”和1982年找到的那颗脉冲星都是通过其射电信号发现的。这并不奇怪，因为射电望远镜非常灵敏，对于脉冲星搜索非常有效。但是蒸发中的恒星会外泄出高密度的电离气体，而这些气体会将射电波散射或吸收。事实上，当伴星处在脉冲星J1957与我们的视线之间，而中子星的射电脉冲必须穿过伴星的蒸发星风时，这颗脉冲星就会发生射电食。“黑寡妇”脉冲星因此可以藏身于从必死无疑的伴侣身上流出的气体的幕后。

揭开神秘的面纱

自J1957系统发现以来，25年中仅在银河系的盘上发现了另外两例“黑寡妇”。在球状星团中，还找到了另几例，但是球状星团的遥远距离和恒星密集度使得这些脉冲星非常难以研究。

2008年升空的“费米”探测器彻底改变了这一局面。“黑寡妇”和其它一些特别强大的毫秒脉冲星在以非常短的周期高速旋转，以至于它们的粒子加速器可以产生在“费米”的仪器中非常明亮的γ射线辐射。在这些γ射线源的位置上，用射电望远镜进行脉冲信号搜索，已经带来了丰厚的科学产出。通过大型计算机搜索方法来测试脉冲信号中的许多周期，我们在一些案例中无需射电波段的确认，就在γ波段找到了一颗脉冲星。此类工作总共已经发现了超过120颗近距的高能脉冲星。

这些脉冲星中包括20个“黑寡妇”型的双星系统。它们的数量为何如此之多？不同于射电辐射，高能的γ射线可以猛烈穿透伴星的星风，即便这颗恒星正在剧烈蒸发。有了强烈的γ射线信号，天文学家就会在射电波段反复检查这个辐射源，从而提高获得发现的可能性——捕获星风中的一小块特殊区域，并在“剥离”脉冲星周围阻碍的状态下探测到射电脉冲。没有γ射线信号，进行射电巡天的天文学家就看不到任何可能的目标，更无法展开进一步研究。因此可以说，是“费米”γ射线巡天这个“高人”在指点迷津：“就在这里挖吧”，从而为脉冲星搜寻者提供了一份藏宝图。

尽管获得了这样的成就，但是在250个最明亮的γ射线源中，仍有6个无法被归入耀变体、脉冲星或其它类似天体。在过去几年中，我和同事们一直在考察这些神秘的辐射源。它们是稳定的辐射器，在数日甚至数年的时间尺度上没有变化，它们有高能的γ辐射波谱，这些都是脉冲星的显著特征。但是在射电波段反复搜索，那里却没有任何东西；对于γ射线信号的计算机研究，也没有在其中找到来自年轻的高能脉冲星的信号，而这些计算机程序本来是为了找出此类脉冲星。

我们怀疑，这些源可能是双星绕转轨道很紧凑的“黑寡妇”，其中的脉冲星深藏于伴星的星风之中。射电脉冲很难或根本不能穿透星风的阻隔，使脉冲星无法在射电波段被发现。近期的两项发现支持了这一理论，它们提示，关键是找到伴星。相对论性的脉冲星星风是看不见的，除非它撞上某种物体。在“黑寡妇”双星中，加速粒子会撞上伴星，将其加热到很高的温度。在伴星围绕脉冲星运转的过程中，我们就能交替地看到其明亮、白热化的加热面和暗淡、偏红的背面。

这是一个明显的特征，但找到这样的恒星绝非易事。使γ射线得以穿透脉冲星星风的高能量也导致γ射线根本不可能通过镜面聚焦，因此，“费米”转而跟踪这些γ射线光子在探测元件中产生的正反物质粒子对，以此来“拍摄”γ射线的天空。然而，这种跟踪方式只能提供很有限的角分辨率。即便一个定位良好的γ射线源，其精确位置也可能在满月那么大的天区中的任何一点上。如果有人在银河系里搜索变源，在这样一块天区中需要检查10万颗恒星。所以，已被发现的脉冲星都位于远离银盘的空旷带，或者是由X射线源等其它线索帮助我们找到的，这就并不奇怪了。

两个候选“黑寡妇”

第一个成功案例是编号为2FGL J2339.6–0532的辐射源，它是“费米”望远镜找到的。江国兴（台湾清华大学）及其同事在一处γ射线信号的同一区域注意到有一颗变星，此后，我们用一系列望远镜对其进行跟踪观测，结果显示，它实际上是一颗不可见天体的被剧烈加热的伴星，那颗不可见天体释放的能量比太阳多10倍以上（很可能是以脉冲星星风的形式）。

利用位于得克萨斯州的10米的HET大型拼接镜面望远镜，我们获取了它的4.6小时的整个轨道周期的光谱。这个辐射源给我们上了一堂恒星光谱学课，仅仅2个小时内，它的光谱就经历了从F型（温度约7000开，加热面朝向地球）到M型（不到3000开，背面朝向地球）的全部变化。巨大的变化还在整个轨道周期中体现在伴星的颜色上，如右侧的图像所示。

这个天体是已知的光学亮度最高的脉冲星加热双星系统，其峰值亮度几乎达18等。为监测它的轨道运动，我们使用斯坦福大学教学天文台的一架0.6米望远镜进行观测。在那里，我们以多次5分钟无滤光拍摄的方式探测到了它的很长一段轨道运动，在此期间，它的亮度波动达3个星等。这颗恒星很容易找到，就位于7.6等的恒星HD 222358以西3角分的地方。只要有10英寸（25.4厘米）以上的望远镜和灵敏的CCD相机，业余爱好者应当就可以观测到这颗被剧烈加热的伴星，在一次观测过程中看见它出现和消失。

近期还发现了与γ辐射源2FGL J1311.7–3429相关的另一颗加热伴星，也许它比前者更加壮观。其亮度变化幅度达4个星等（20等至24等），光变周期短至前所未见的94分钟。除了按照正弦曲线增减的亮度变化，它还伴有一些神秘的耀发，亮度最高可上升至18等。伴星的正面被加热至大约12000开，这是B型星的温度。它既引人入胜，也令人胆战心惊——我们意识到，在加热面进入和离开视线的循环中，我们同时也在见证伴星的痛苦死亡，它正经受着粒子加速器的猛烈风暴轰击。

在我们确定了这两个γ射线源的双星周期之后，其他天文学家在γ射线波段和射电波段探测到了它们的毫秒级脉冲，证实了它们的“黑寡妇”属性。但射电波段的确认是非常困难的，因为射电脉冲深深潜藏在伴星的星风之中，只有当星风偶尔散开时，才会在这百分之几的观测数据中出现。这些潜藏的脉冲星不可能出现于所有的射电巡天中，所以我们需要“费米”望远镜首先框定相应辐射源的大概位置。

“费米”的藏宝图依然可以标示出那些宇宙加速器的所在坐标。鉴于起初不可辨认的辐射源已被证明为最极端的两个“黑寡妇”成员，我们现在更渴望享受从γ射线天空中发现新的宇宙加速器带来的惊喜。