第16章 不是外星人，而是自旋中子星
现在距离1967年的“爱之夏”[1] （Summer of Love）已过去半个多世纪了。那一年的夏天，剑桥大学的研究生乔瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell）
（见图16-1），正在用马丁·赖尔（Martin Ryle）和安东尼·休伊什（Anthony Hewish）新设计的射电望远镜进行观测。她在望远镜输出的观测数据里，看到了一些小凸起——脉冲信号，经过仔细检查，贝尔感到事有蹊跷。
这个脉冲信号每1.337秒重复一次，而且它会随着地球的自转在天空中移动，这既不像是附近的东西产生的，也没有明显的天文现象能够产生如此快且有规律的脉冲信号（见图16-2）。贝尔起初认为这可能是外星人发来的信号，所以就半开玩笑半认真地暂且称之为“小绿人1号”[2] （Little Green Men 1）。
贝尔后来回忆道：“我们当时并不是真的相信我们接收到了外星人发出的信号。不过，这个念头确实从我们的脑海中一闪而过，而且我们也找不到证据，证明它纯粹是自然产生的射电辐射。如果有人认为自己可能找到了外星人，那他应该如何负责任地宣布这个发现呢？这是一个有意思的问题。”
“外星人”解释很快就被抛到了一边，因为贝尔又发现了第二个脉冲信号。找到一个外星文明已经算是惊天大发现了，然而接连收到两个外星文明发出的信号，这未免太不可思议了，所以这些信号肯定是自然产生的，科学家把发出这些信号的神秘天体称为脉冲星。1968年，休伊什和贝尔公布了他们的发现，托马斯·戈尔德（Thomas Gold）提出快速自转的中子星可能是这些信号的源头。早在1934年（发现中子星两年后），兹威基和巴德就曾预言过，在超新星爆发过后，恒星的残骸会被压缩成一种新天体。这种天体拥有恒星的质量，但却像原子核那样致密，完全是由中子构成的。戈尔德提出，中子星在飞快地自转，它的强大的磁场如同灯塔一般，发出旋转的光束。科学界一开始并不接受戈尔德的解释，甚至还在第一届脉冲星国际会议上拒绝让他讲述自己的理论，然而，就在当年的晚些时候，一切全都改变了，因为科学家真的在蟹状星云里找到了一颗脉冲星。蟹状星云是1054年发生的一次超新星爆发留下的遗迹（见图16-3），位于星云中心的脉冲星每过33毫秒便发出一个脉冲信号。
1974年，赖尔和休伊什因为发现脉冲星而获得诺贝尔物理学奖，贝尔虽然也在这项发现中发挥了主导作用，却没能获奖。
宇宙里的灯塔
中子星是十分致密的恒星残骸，它的质量虽然比太阳还大，但这些质量却被全部压缩进了一个直径为20～30千米的球体里，所以它的致密程度与原子核不相上下，而且它还以难以置信的速度飞快地旋转着，不到一秒钟就可转完一圈。
图16-4是一幅超新星遗迹伪彩色图，其中呈弥漫状的洋红色区域是超新星遗迹的X射线辐射，在右下方像彗星一样的绿色物体则是一颗正在急速飞奔的脉冲星，似乎迫不及待地想要从这个遗迹中逃出去。科学家认为，这颗超新星在爆炸时失去了平衡，这才把中子星逼上了出逃之路。（沿着同一视线方向，你还可以看到两颗明亮的恒星，不过，科学家认为它们出现在那里纯属偶然，和这场超新星爆发毫无关联。）
时至今日，天文学家对中子星已经研究了近半个世纪，对它们有了很多深入的认识，但也还存在不少疑问。中子星确实是超新星爆发的产物，不仅如此，它在刚形成时，每秒钟能够旋转近1000次。正如戈尔德最先提出的那样，快速自转的中子星产生巨大的磁场，磁场的强度是地球磁场的上万亿倍。这个磁场反过来又产生电场，加速电子及其他带电粒子，并且沿着两个磁极发射出强烈的光束（见图16-5）。与地球一样，中子星的磁极与自转轴并不重合，所以，从两个磁极发出的光束，就如同旋转的灯塔一般，在宇宙空间中扫来扫去。如果有一个光束正好对着我们，那么脉冲星每转一周，我们就会探测到一个脉冲信号，贝尔接收到的脉冲信号就是这样产生的。
旋转的磁场好似给飞速自转的脉冲星踩了刹车，让它越转越慢，由此损失的动能也被脉冲信号传递给了围绕着脉冲星的星云。蟹状星云里的中子星是在近1000年前形成的，它现在每秒钟能自转30圈，计算表明，它损失的动能足以点亮整个星云。所以，脉冲星不会永远存在，它迟早要走向死亡。再过大约100万年，蟹状星云里的中子星大概每秒钟只能转1圈了，到那时，它再也没有充足的能量发出脉冲信号，就此从我们的眼前彻底消失。
如果中子星恰好置身于一个双星系统，那它还能从它的伙伴那里吸取物质，尤其是在伙伴年老体衰或者膨胀成红巨星的时候。由于不断有物质盘旋着落到中子星的表面，中子星会越转越快，于是，死寂已久的脉冲星会再度复活。科学家认为，旋转周期极短的毫秒脉冲星就是这样产生的。PSR J1748-2446ad是目前已知的转得最快的脉冲星，它每秒钟可转716圈。
奇异的物质
一听中子星这个名字，你会以为它的内部除了中子别无他物，但其实不然。别看中子星个头不大，半径只有10～15千米，它的内部构造却是十分复杂，而且在不同的深度，它的结构也不尽相同（见图16-6）。
一般认为，中子星被一层仅几厘米厚的、炽热的等离子体气体包裹着，它的外表层就像白矮星一样，主要是由重元素的原子核和大量的电子构成的，物质密度约比水的密度大100万倍。
再往里走，中子星的密度迅速升高。在中子星的内表层，自由中子的数目越来越多，中子在原子核里所占的比例也随之增大，直到中子星的密度达到一个临界值——水密度的100万亿倍。
等你进入中子星星核的外层，你会发现那里几乎全是中子，仅有少量的质子、电子和μ介子。至于星核的内层结构，目前还无人知晓。科学家提出了各种稀奇古怪的结构模型，比如紧密排列的奇异重子（质子和中子的大质量翻版，但却是由奇夸克构成的）、π介子和K介子（两者皆由夸克和反夸克构成）的玻色-爱因斯坦凝聚，还可能是某种夸克-胶子等离子体，这正是大型强子对撞机目前正在研究的一种极端的物质状态。
中子星的质量不会无限增加，最大不能超过2～3倍太阳质量。一旦超过这个质量上限，中子星就会一直坍缩下去，然后在一场不可阻挡的内爆中形成黑洞。
脉冲星成了文化符号
2016年，英国物理学会决定把“早期女物理学家奖”[3] 更名为“乔瑟琳·贝尔·伯内尔奖”（Jocelyn Bell Burnell），以纪念伯内尔教授所取得的科学成就，以及她在博士研究生期间发现脉冲星。
1979年，设计师彼得·萨维尔（Peter Saville）在为英国后朋克乐队Joy Division的专辑Unknown Pleasures设计封面时，采用了贝尔发现的脉冲信号。于是，这个信号从此摇身一变，成了一个文化符号（见图16-7）。人类接收到的第一个脉冲星信号，竟然成了摇滚乐界最知名的一个图案。这让我想起了以前听黑胶唱片的时光，看着留声机的唱针在音轨上悠悠滑动，耳边传来舒缓动人的旋律。顺带提一句，Joy Division乐队的主唱兼作词人伊恩·柯蒂斯（Ian Curtis）从小是在麦克尔斯菲尔德的柴郡（Cheshire town of Macclesfield）长大的，那里离焦德雷班克射电天文台（Jodrell Bank Radio Observatory）不远。焦德雷班克如今已是世界上顶尖的脉冲星研究中心，那里的科学家甚至还别出心裁地把脉冲信号转换成了音频文件，让我们有机会听到脉冲星的声音。
- 1967年夏天，近10万嬉皮士聚集在美国旧金山的金门公园，举行了一次集会活动，主张爱与和平，反对越战，这场运动被称为“爱之夏”。——译者注
- 从那以后，这个射电源就被命名为“CP1919”或“PSR1919+21”。
- Very Early Career Female Physicist Award。
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