第十五章
脈衝星的輻射
我們現在來詳細看一看，中子星是如何發射脈衝的。中子星是恒星坍縮而成的，根據角動量守恒定律，恒星坍縮過程中角動量是不會改變的，但中子星的尺度比原來恒星要小許多倍，所以它的角速度將會比原來恒星自轉角速度大許多倍。計算證明中子星的角速度應為1秒左右轉1周，這同觀測到的脈衝星周期範圍是一致的。在恒星坍縮為中子星的過程中，磁場也會隨星體而收縮，星體表麵處的磁場強度將大大升高。我們知道恒星表麵的磁場強度為幾高斯(1高斯=10-4特斯拉)到1萬高斯不等，如果1個太陽大小的恒星表麵磁場強度為100高斯，當它收縮為半徑10千米的中子星時，磁場強度將達到1012高斯，那麼大的場強度比我們地球上所能產生的最高磁場強度要大100萬倍。根據對X射線脈衝星能譜的分析得到證實，它們也是中子星。例如：武仙座X-1是一個X射線脈衝星，其表麵磁場據分析應達到5×1012高斯。電子在磁場中將按螺旋線前進，同時發出同步加速輻射。這種輻射是沿電子軌道發射的有很強方向性的一種非熱致輻射。在磁場達到1012高斯這麼大的中子星上，電子的螺旋軌道幾乎被磁場拉直了，電子幾乎是沿磁力線高速運動。在磁場最強的兩極處，電子則沿磁力線呈射束向遠處噴射，它們所產生的同步加速輻射也是在此方向上射出而形成一個細射束。一般的中子星磁軸是不同自轉軸重合的，因而當中子星自轉時，這個細射束像探照燈一樣掃過空間。當它掃過我們的望遠鏡時，便形成一個脈衝信號，中子星轉一周，射束也在空中掃一圈，因而脈衝信號的周期也就反映了中子星的自轉周期。觀察發現，在一個周期的時間內，脈衝隻占3％～10％的長度，其餘大部分時間無信號，這說明並不是整個星都有發射。脈衝星的發射除了這種短周期的規律性外，還有長周期的變化。例如：有的脈衝星有60天的周期性變化，這可以用中子星自轉軸的“進動”來解釋，也就是說中子星的軸會像陀螺的軸一樣，在空中快速地畫一個圈，因此它的射束與我們視線的傾角會發生變化，從而造成了這種長周期的強度變化。
脈衝星的脈衝周期以其高度穩定性著稱，它來源於中子星自轉的穩定性，但它們並不是十全十美的鍾，而是在逐漸慢下來，當然這種減慢是很不明顯的，隻有非常精密的測量才能揭示這一點。例如：有的脈衝星每天的周期隻加長15×10-13秒!
既然脈衝星的自轉在變慢，那麼從它的周期長度也可以推測它的年齡。蟹狀星雲脈衝星的周期是最短的，說明它是一顆十分年輕的中子星，它的周期每天增加35毫微秒，由此可以算出它的年齡是1000年左右，同其他方法的結果是接近的。順便指出，船帆座中有一顆脈衝星，周期是0089秒，僅次於蟹狀星雲脈衝星，年齡也較長，約10000年左右。它的可見光發射已經變得很弱了，周圍的星雲也顯得很大，它離我們比蟹狀星雲近4倍多。可惜10000年前人類還沒有記錄，否則的話，他們將告訴我們當時的景像——天空中出現一顆滿月一樣明亮的星!
脈衝星的發射區繞軸轉動
別看脈衝星的自轉周期變化是那麼細微，卻是脈衝星輻射能量的來源。中子星內已停止了核反應，它的輻射能量從哪裏來呢?當星體在引力作用下坍縮時，星體自轉加快，原來的引力能就轉化為星的轉動能。當這種轉動逐漸慢下來時，能量又轉化為磁場中的高能電子，同步加速輻射的能量就是這樣來的。至於轉動能具體是如何轉化為電子的能量的，目前還沒有統一的看法，一般認為這與中子星周圍存在著極高的磁場有密切的關係。但不管以什麼方式轉化，根據計算，自轉減慢放出的能量，確實能夠維持實際觀測到的脈衝星輻射。