PSR B1937+21
PSR B1937+21
PSR B1937+21是一颗位于狐狸座脉冲星,离人类历史上发现的第一颗脉冲星PSR B1919+21仅有数度的距离。
命名规则
PSR B1937+21的命名是根据脉冲星的命名规则而定的:PSR是脉冲星英文pulsar的缩写,1937是指该脉冲星位于赤经19 37 ,+21是指其位于赤纬+21°,B意味着赤经赤纬值是归算到历元1950年的值。PSR B1937+21是在1982年由美国天文物理学家唐纳德·贝克和他的合作者所发现的。
发现过程
历史上发现的首颗脉冲星PSR B1919+21是在1967年由剑桥大学卡文迪许实验室的研究生约瑟琳·伯奈尔和她的导师安东尼·休伊什发现的。在脉冲星被发现后不久,弗朗科·帕西尼和戈尔德两人独立地指出脉冲星就是快速自转的中子星,是10倍以上太阳质量的恒星死亡时发生超新星爆炸的产物。脉冲星辐射出的电磁波是由位于其周围高速旋转的磁场中的等离子体相互作用所引起。这种相互作用引起脉冲星的灯塔效应,即辐射只能沿着磁轴方向,从两个磁极区辐射出来。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合,每当射电波束扫过地球时,就接收到一个脉冲。
20世纪70年代末,射电源4C21.53引起射电天文学家的注意,因为它具有异常高的行星际闪烁。行星际闪烁意味着附近有致密的射电源,这表示4C21.53可能就是一个超新星遗迹。但罗塞尔·赫尔斯和J.H.泰勒在1974年利用阿雷西博天文台的射电望远镜进行中国空间站工程巡天望远镜时曾经观测过这个天区,并没有发现和4C21.53有关的脉冲星。由于没有人能估计到脉冲星的自转周期可能短至毫秒级,因次之后的一些研究小组对这个射电源进行反复观测也始终无法找到相应的脉冲星。于是科学家提出了一系列对4C21.53出现闪烁的新解释,其中有一种解释是4C21.53可能对应一种新类型的天体
自从1967年英国女科学家乔林斯·贝尔发现第一颗脉冲星以来,这一领域已经变得死气沉沉。该领域的一项里程碑式发现出现在1974年,当时罗素·哈尔斯(Russell Hulse)和J.H.泰勒(约瑟夫 Taylor)发现了一对正在相互绕转并逐渐彼此接近的脉冲星。在这一过程中,这两颗脉冲星的能量必定正在不断以引力波的形式发生散失,引力波是时空中的涟漪。
这两人进行的测量时迄今人类所获得有关引力波存在的最清晰证据,从而证明了阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中所作出的预言。1993年,由于在这方面做出的开创性工作,这两位物理学家被授予诺贝尔奖。库卡尼表示:“那是这个领域的巅峰时期。但在那之后,这个领域仅剩下的唯一可做的事情似乎就是发现更多的脉冲星而已了。到了1982年,有一种感觉就是,似乎关于脉冲星的一切都已经被搞清楚了。”
直到库卡尼发现首颗毫秒脉冲星,这种死气沉沉的局面才终于被打破。自那以后,天文学家们又找到了大约300颗属于这一类别的脉冲星。他们认为仅在银河系中就有超过2万颗毫秒脉冲星,另外还有数量大致相同的常规脉冲星——听上去似乎数量不少,但相比银河系内动辄数以千亿计的恒星数量,这类神秘天体的数量实际上是极其稀少的。库卡尼发现的脉冲星PSR B1937+21一直保持着自转速度最快天体的记录直到2006年。就在1982年,与当年发现首颗毫秒脉冲星时的库卡尼一样还是研究生身份的杰森·赫塞尔斯(Jason Hessels)发现了一颗编号为Terzan 5ad的脉冲星,这是一颗非常暗弱的脉冲星,但其自转速度高达每秒716圈。
美国天文物理学家唐纳德·贝克和他的合作者在1982年意识到这可能和射电源隐藏的脉冲星自转速度快,超过了仪器接收和测量的敏感度有关。贝克利用阿雷西博射电望远镜和新研制的消色散能力很强的接收机,在观测时不断调整接收机的时间常数,其中包括对极短脉冲周期敏感的常数。他们最初的计划时是先将仪器调到对转速500赫兹以下敏感的波段寻找,如果是这样的话,每秒自转642次的PSR B1937+21将不会这么快就被发现。当时贝克的学生史瑞·库卡尼简化了程序,直接采用0.4毫秒周期的波段,这样的话可以寻找到转速最快为2500赫兹的脉冲星。 1982年11月,贝克宣布寻找到4C21.53对应的脉冲星,它的自转周期为1.558毫秒,远远超过天文学家之前设想的脉冲星自转极限。
天文数据
PSR B1937+21属于毫秒脉冲星,为中子星的一种,自转周期为6.22毫秒,质量上限为地球1000倍。
研究历史
在1990年亚历山大·沃斯赞发现PSR B1257+12拥有行星后,科学家重新分析PSR B1937+21等超新星的观测数据,看是否能发现类似的行星。
1994年,科学家确定PSR B1937+21有一颗距离在2个天文单位以内,质量上限为地球1000倍的行星。
1999年,沃斯赞指出PSR B1937+21发出的脉冲波周期有细微的差别,之前日本人Tokio Fukushima通过分析也相同的结论,这可能是由围绕它旋转的矮行星引起的。经过计算可知,一个类似谷神星大小的矮行星在距离这颗脉冲星2.71天文单位可引起这样的效应,但仍然需要更多的观察数据对这种假设进行验证。
实际应用
在PSR B1937+21自转速度高达每秒716圈的高速和巨大的质量下,毫秒脉冲星将具备巨大的角动量,因此它们的自转速度将很难慢下来。这就让它们在漫长的时间里能够一直保持近乎不变的自转周期。当毫秒脉冲星最早被发现时,它们的自转周期精度几乎可以与地球上最精确的原子钟相媲美。目前在荷兰阿姆斯特丹大学担任教职的赫塞尔斯表示,时至今日,最新一代的原子钟的计时精度已经超过了脉冲星,但如果放在更长的时间尺度下,比如数十年的时间里去比较,那么毫秒脉冲星的计时精度仍然可以达到与最新的原子钟不相上下的地步。
即便经过数十亿年之后,毫秒脉冲星的自转周期也只会延长几个毫秒而已,但由于天文学家们能够精确测定其减速速率,因此他们就可以扣除减速效应的影响并继续将它们用作精确的计时工具。
参考资料

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目录
概述
命名规则
发现过程
天文数据
研究历史
实际应用
参考资料