脉冲星的辐射

我们现在来详细看一看，中子星是如何发射脉冲的。中子星是恒星坍缩而成的，根据角动量守恒定律，恒星坍缩过程中角动量是不会改变的，但中子星的尺度比原来恒星要小许多倍，所以它的角速度将会比原来恒星自转角速度大许多倍。计算证明中子星的角速度应为1秒左右转1周，这同观测到的脉冲星周期范围是一致的。在恒星坍缩为中子星的过程中，磁场也会随星体而收缩，星体表面处的磁场强度将大大升高。我们知道恒星表面的磁场强度为几高斯(1高斯=10-4特斯拉)到1万高斯不等，如果1个太阳大小的恒星表面磁场强度为100高斯，当它收缩为半径10千米的中子星时，磁场强度将达到1012高斯，那么大的场强度比我们地球上所能产生的最高磁场强度要大100万倍。根据对X射线脉冲星能谱的分析得到证实，它们也是中子星。例如：武仙座X-1是一个X射线脉冲星，其表面磁场据分析应达到5×1012高斯。电子在磁场中将按螺旋线前进，同时发出同步加速辐射。这种辐射是沿电子轨道发射的有很强方向性的一种非热致辐射。在磁场达到1012高斯这么大的中子星上，电子的螺旋轨道几乎被磁场拉直了，电子几乎是沿磁力线高速运动。在磁场最强的两极处，电子则沿磁力线呈射束向远处喷射，它们所产生的同步加速辐射也是在此方向上射出而形成一个细射束。一般的中子星磁轴是不同自转轴重合的，因而当中子星自转时，这个细射束像探照灯一样扫过空间。当它扫过我们的望远镜时，便形成一个脉冲信号，中子星转一周，射束也在空中扫一圈，因而脉冲信号的周期也就反映了中子星的自转周期。观察发现，在一个周期的时间内，脉冲只占3％～10％的长度，其余大部分时间无信号，这说明并不是整个星都有发射。脉冲星的发射除了这种短周期的规律性外，还有长周期的变化。例如：有的脉冲星有60天的周期性变化，这可以用中子星自转轴的“进动”来解释，也就是说中子星的轴会像陀螺的轴一样，在空中快速地画一个圈，因此它的射束与我们视线的倾角会发生变化，从而造成了这种长周期的强度变化。

脉冲星的脉冲周期以其高度稳定性著称，它来源于中子星自转的稳定性，但它们并不是十全十美的钟，而是在逐渐慢下来，当然这种减慢是很不明显的，只有非常精密的测量才能揭示这一点。例如：有的脉冲星每天的周期只加长15×10-13秒！

既然脉冲星的自转在变慢，那么从它的周期长度也可以推测它的年龄。蟹状星云脉冲星的周期是最短的，说明它是一颗十分年轻的中子星，它的周期每天增加35毫微秒，由此可以算出它的年龄是1000年左右，同其他方法的结果是接近的。顺便指出，船帆座中有一颗脉冲星，周期是0089秒，仅次于蟹状星云脉冲星，年龄也较长，约10000年左右。它的可见光发射已经变得很弱了，周围的星云也显得很大，它离我们比蟹状星云近4倍多。可惜10000年前人类还没有记录，否则的话，他们将告诉我们当时的景像——天空中出现一颗满月一样明亮的星！

别看脉冲星的自转周期变化是那么细微，却是脉冲星辐射能量的来源。中子星内已停止了核反应，它的辐射能量从哪里来呢？当星体在引力作用下坍缩时，星体自转加快，原来的引力能就转化为星的转动能。当这种转动逐渐慢下来时，能量又转化为磁场中的高能电子，同步加速辐射的能量就是这样来的。至于转动能具体是如何转化为电子的能量的，目前还没有统一的看法，一般认为这与中子星周围存在着极高的磁场有密切的关系。但不管以什么方式转化，根据计算，自转减慢放出的能量，确实能够维持实际观测到的脉冲星辐射。