維拉脈衝星：一顆創造了最高能量伽瑪射線新紀錄的脈衝星

你能想象一個比太陽還要熱 比直升機還要快 比城市還要小的東西嗎? 這就是脈衝星 一種奇妙而神祕的天體 它們是死去的恆星留下的殘骸 最近 一些天文學家用特殊的望遠鏡 觀測了一顆離我們很近的脈衝星 發現了一些令人震驚的事情 這顆脈衝星叫維拉脈衝星 它在大約一萬年前的一次超新星爆炸中誕生 它有一個普通城市的大小 但卻有太陽一到兩倍的質量 它每秒旋轉11次 比直升機的獎頁還要快 它還有一個強大的磁場 可以把電子和正電子等粒子 加速到接近光速 然後從兩極噴出 脈衝星是如何形成的呢? 它們是怎樣發出光追的呢? 它們的磁場有多強呢? 它們的光追有什麼特徵呢? 它們的伽馬射線是如何產生的呢? 脈衝星是一種特殊的中子星 而中子星是一種特殊的恆星 恆星是由氫和其他元素組成的巨大球體 它們在自己的核心裏進行核聚變 釋放出巨大的能量 使它們發光發熱 但是恆星並不會永遠這樣燃燒下去 當它們的核心裏的氫用完了 它們就會開始變化 恆星的變化取決於它們的質量 如果一個恆星的質量比太陽小 那麼它會變成一顆紅矮星 然後慢慢地冷卻下來 如果一個恆星的質量和太陽差不多 那麼它會變成一顆紅巨星 然後把自己外層的物質吹走 留下一個白矮星 如果一個恆星的質量比太陽大很多 那麼它會變成一顆超巨星 然後在最後一顆爆炸成爲一顆超新星 超新星爆炸是一種非常壯觀而災難性的現象 它會把恆星大部分的物質都拋向外空間 形成一團美麗而複雜的氣體雲 但是在超新星爆炸中 並不是所有的物質都被拋出去了 有一部分物質還留在了原來恆星的位置上 這些物質被壓縮到了極致 形成了一個非常小而密集的球體 這就是中子星 中子星是由中子組成的 中子是原子核裏面沒有電荷的粒子 中子星非常穩定 因爲它們有一個很強大的引力 來平衡它們內部的壓力 中子星也非常重 它們有太陽一到兩倍的質量 但卻只有一個普通城市的大小 這意味着它們非常密集 如果你拿一茶匙中子星物質放在地球上 它會有十億噸重 中子星也非常快速地旋轉 並且有一個很強大的磁場 這些特徵都是由於恆星在塌縮時產生的 你可以想象一個滑冰運動員 在旋轉時收緊雙臂 他或她就會旋轉得更快 同樣的 當恆星塌縮時 它也會保持自己原來旋轉時 所具有的角動量不變 所以它就會旋轉得更快 而且 當恆星塌縮時 它也會保持自己原來磁場時 所具有的磁通量不變 所以它就會產生更強大的磁場 並不是所有的中子星都能被我們看到 只有一些特殊的中子星才能被我們觀測到 它們就是脈衝星 脈衝星是一種發出強烈的電磁輻射的中子星 它們的輻射像燈塔一樣 定期地掃過地球 脈衝星之所以能發出這樣的輻射 是因爲它們的磁場和旋轉軸 不在同一條線上 而是有一定的角度 這樣 當中子星旋轉時 它們的磁場就會在空間中擺動 就像一個風車一樣 而當磁場擺動時 它們就會影響周圍的粒子 使它們沿着磁場線加速運動 並且發出不同波長的光 這些粒子主要集中在中子星兩極附近 形成了兩個光錐 光錐的大小和形狀 取決於中子星的磁場和旋轉速度 一般來說 光錐越靠近中子星的表面 它們發出的光就越強 但也越窄 而光錐越遠離中子星的表面 它們發出的光就越弱 但也越寬 這就導致了不同波長的光錐 有不同的位置和角度 例如 無線電波的光錐 通常比可見光 或伽馬射線的光錐更遠更寬 當這些光錐掃過地球時 我們就可以用不同類型的望遠鏡 來接受它們發出的信號 這些信號會隨着中子星旋轉 而週期性的變化 就像一個鐘擺一樣 我們可以根據這些信號 來測量脈衝星的位置 距離 質量 半徑 旋轉週期 磁場強度等參數 我們也可以根據這些信號 來了解脈衝星周圍的環境 比如是否有行星 氣體雲 塵埃等 雖然脈衝星可以發出各種波長的光 但是其中最令人感興趣的是伽馬射線 伽馬射線是一種非常高能量的電磁輻射 它可以揭示脈衝星最深層次的物理過程和機制 伽馬射線也是一種非常稀有和珍貴的資源 因爲它很容易被其他物質吸收或散射 所以只有少數幾顆脈衝星 能夠發出足夠強度的伽馬射線 讓我們觀測到 天文學家用一種叫做HES的望遠鏡系統 觀測了維拉脈衝星 天文學家發現了維拉脈衝星 發出了有史以來最高能量的伽馬射線 達到了20太電子伏特 這相當於一個電子 在20萬億伏特的電壓下運動時所具有的能量 這比普通脈衝星發出的伽馬射線要強大200倍 這一發現讓天文學家非常驚訝 因爲他們不知道維拉脈衝星 是怎麼產生這麼高能量的伽馬射線的 他們認爲標準的光追區域不夠大 也不夠強 無法讓粒子加速到這麼高的能量 他們提出了幾種可能的解釋 比如說 粒子是在光追區域之外被加速的 或者說 中子星周圍有更復雜的磁場結構 或者說 中子星發出的風會給粒子提供額外的推力 但是他們還沒有確定哪一種解釋是正確的 他們打算繼續觀測維拉脈衝星 看看是否還有更高能量的伽馬射線出現 他們也想用HAZ觀測其他相對較勁的脈衝星 看看是否有類似的現象發生 他們希望通過這些觀測 來更新他們對脈衝星輻射的理解 並且可能對其他高度磁化的天體物理對象 如黑洞等 也有所啓發