脈沖星的形成與演化及黑洞的吸積與噴流

鐘萃相

【摘 要】脈沖星的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)60年代激動(dòng)人心的重大發(fā)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。盡管人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)脈沖星之后，很快就確認(rèn)了脈沖星就是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，但對(duì)于中子星源源不斷地發(fā)出電磁脈沖信號(hào)的本質(zhì)機(jī)制卻一知半解。因此本文作者分析了中子星的形態(tài)結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)境，發(fā)現(xiàn)一個(gè)中子星通常有兩個(gè)大氣渦旋結(jié)構(gòu)分別位于其南極和北極，因而包含兩組并行的螺旋云路，可產(chǎn)生兩組分別位于南極和北極的偶極子磁場(chǎng)。正是這兩組極性相同的偶極子磁場(chǎng)的疊加形成了中子星的磁場(chǎng)，能源源不斷地發(fā)出燈塔光似的電磁脈沖信號(hào)。由于太陽(yáng)系行星上的大氣渦旋是微小的吸積盤(pán)，而中子星、黑洞和活動(dòng)星系核的吸積盤(pán)實(shí)質(zhì)上是大尺度的大氣渦旋，因此中子星大氣渦旋的形成機(jī)制和電磁脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)制可以推廣到黑洞的吸積與噴流。

【關(guān)鍵詞】脈沖星；中子星；電磁脈沖信號(hào)發(fā)射機(jī)制；黑洞；吸積；噴流

中圖分類(lèi)號(hào)： P145.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）35-0101-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.043

0 引言

脈沖星是宇宙中最為神秘的天體之一，其密度之大、溫度之高、壓力之大、磁場(chǎng)之強(qiáng)超乎人們的想象，因而引起了人們的極大興趣和好奇。1967年11月28日，劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的安東尼·休伊什教授和他的研究生喬絲琳·貝爾首先發(fā)現(xiàn)了脈沖星發(fā)來(lái)的電磁脈沖信號(hào)[1，2]，接著他們很快就確認(rèn)了脈沖星就是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，使中子星由假設(shè)變成了事實(shí)[3]。這真是上個(gè)世紀(jì)天文學(xué)上的一件大喜事。因此，脈沖星的發(fā)現(xiàn)被稱(chēng)為二十世紀(jì)六十年代的四大天文學(xué)重要發(fā)現(xiàn)之一。休伊什教授也因此獲得了1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自從第一顆脈沖星被發(fā)現(xiàn)之后，人們已找到了不少于1620多顆脈沖星，而且它們都是在銀河系中發(fā)現(xiàn)的[4，5]。脈沖星的一個(gè)顯著特性是穩(wěn)定而短暫的脈沖周期[6]，這樣有規(guī)則的脈沖是怎樣產(chǎn)生的呢？至今懸而未決。幸而作者重新研究了脈沖星的形成與演化過(guò)程，找到了一個(gè)的科學(xué)合理的答案。

1 現(xiàn)有的脈沖星形成與演化理論

脈沖星及其奇異特性的發(fā)現(xiàn)促使人們對(duì)脈沖星的起源和演化做了認(rèn)真的研究。天文學(xué)家得出的初步結(jié)論是一個(gè)脈沖星起源于一個(gè)大質(zhì)量恒星在超新星爆發(fā)過(guò)程中被壓縮而成的一個(gè)中子星。該中子星保留了原恒星的大部分角動(dòng)量，且其半徑僅是原恒星半徑的一小部分，因此形成的中子星具有很高的自轉(zhuǎn)速度。同時(shí)，收縮使中子星成為一塊極強(qiáng)的磁鐵，電磁波束就是沿著該脈沖星的磁極發(fā)射出來(lái)的，其中磁極決定著電磁波束的方向，但脈沖星的磁極未必就與旋轉(zhuǎn)軸一致。這種不一致使得脈沖星每旋轉(zhuǎn)一次其電磁波束只能被看到一次，這就導(dǎo)致了脈沖星表面上的脈沖性。這種假說(shuō)就是已被大多數(shù)專(zhuān)家接受的“燈塔模型”。

在由轉(zhuǎn)動(dòng)供能的脈沖星中，電磁波束是由中子星的轉(zhuǎn)動(dòng)能產(chǎn)生的，其中由強(qiáng)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下恒星表面上的質(zhì)子和電子得到加速，并從磁極發(fā)出一個(gè)電磁波束。隨著時(shí)間的推移和電磁能量的發(fā)出，中子星的旋轉(zhuǎn)會(huì)逐漸地慢下來(lái)[7]。當(dāng)一個(gè)中子星的旋轉(zhuǎn)速度足夠慢時(shí)，脈沖星的射電機(jī)制就被認(rèn)為是關(guān)閉了。這種關(guān)閉似乎在1千萬(wàn)年或1億年之后就會(huì)發(fā)生，這意味著出生年齡為130.6億年的中子星約有99%都已停止脈搏[6]。

雖然把脈沖星看著是快速旋轉(zhuǎn)的中子星的觀點(diǎn)已被廣泛接受，但對(duì)于脈沖星的脈沖產(chǎn)生機(jī)制至今懸而未決。德國(guó)馬克斯地外物理研究所的Werner Becker 在2006年說(shuō)過(guò)：盡管經(jīng)過(guò)了近四十年的努力，關(guān)于脈沖星如何發(fā)射其電磁波的理論仍然處于萌芽階段[8]。

2 脈沖星形成新理論

雖然上述燈塔模型已被大多數(shù)專(zhuān)家接受，但它遇到了如下幾個(gè)難以解答的問(wèn)題：恒星收縮為中子星時(shí)為何能變成一塊磁鐵？磁鐵高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，真的能從磁極發(fā)光嗎？所以這種假說(shuō)仍然難以置信。事實(shí)上，燈塔模型是由地磁場(chǎng)的形成假說(shuō)做簡(jiǎn)單推廣得到的，而地核內(nèi)有液態(tài)鐵，中子星是致密星，所以不能簡(jiǎn)單地把地磁場(chǎng)的形成假說(shuō)推廣為脈沖星磁場(chǎng)的形成假說(shuō)。再說(shuō)，現(xiàn)有的地磁場(chǎng)的形成原因至今不清楚，所以簡(jiǎn)單地簡(jiǎn)單地把地磁場(chǎng)的形成假說(shuō)推廣為脈沖星磁場(chǎng)的形成假說(shuō)缺乏堅(jiān)實(shí)科學(xué)的基礎(chǔ)。

我們?cè)谘芯恳粋€(gè)星球的磁場(chǎng)時(shí)不能只看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而應(yīng)該更多地關(guān)注其外部環(huán)境，因?yàn)樾乔虻碾姶艌?chǎng)主要由其外部大氣層中的帶電離子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。比如，大家熟悉的地球擁有濃密的大氣層。由于地球自轉(zhuǎn)離心力的作用使其成長(zhǎng)為赤道隆起、兩極稍扁的球體，使地球兩極位置的半徑小于赤道及其他位置的半徑，而萬(wàn)有引力和距離的平方成反比。當(dāng)?shù)厍蚩焖僮赞D(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力，使赤道和低緯度地區(qū)上空的云團(tuán)容易脫離其旋轉(zhuǎn)軌道而向南極或北極移動(dòng)。由于極地位置的萬(wàn)有引力大于其他位置的萬(wàn)有引力，因此當(dāng)云團(tuán)移到極地時(shí)容易被極地的萬(wàn)有引力吸引住，吸入冷空氣后便凝結(jié)成厚重的云團(tuán)而下沉。許多墜向極地的云團(tuán)隨著地球的自轉(zhuǎn)便形成一股很強(qiáng)的圍繞極地旋轉(zhuǎn)的環(huán)流，即“極地渦旋”，如圖1所示。

圖1 地球極地渦旋

圖2 土星北極大氣渦旋

圖3 木星北極渦旋中的螺旋電流

地球有兩個(gè)渦旋結(jié)構(gòu)，分別位于南極和北極，深度可跨越地球的對(duì)流層和平流層。這種渦旋結(jié)構(gòu)常年存在，在冬季達(dá)到最大強(qiáng)度。太陽(yáng)系中金星、火星、木星和土星也有渦旋現(xiàn)象，其中土星和木星的極地渦旋尤為壯觀，分別如圖2和圖3所示。其中圖2是由美國(guó)美國(guó)宇航局卡西尼航天器拍攝到的土星北極六角形中心的大氣渦旋，這個(gè)巨大六邊形的每邊的邊長(zhǎng)都在1.38萬(wàn)公里，超過(guò)了地球的直徑；圖3也是美國(guó)宇航局通過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的木星北極渦旋中的螺旋電流。

我們已經(jīng)知道，脈沖星就是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，它是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。由于自轉(zhuǎn)離心力的作用，中子星也逐漸演變成赤道隆起、兩極稍扁的球體，如圖4所示。雖然中子星體積小，但其質(zhì)量比太陽(yáng)的質(zhì)量大得多，比地球的質(zhì)量大得更多，因此中子星周?chē)男窃坪穸群兔芏确謩e比地球和木星上的大氣厚度和密度大得多，這正是中子星難以被觀察到的原因[9]。當(dāng)中子星快速自轉(zhuǎn)時(shí)，其赤道附近或低緯度地區(qū)上空的云團(tuán)在強(qiáng)大離心力的作用下容易脫離旋轉(zhuǎn)軌道而向兩極移動(dòng)，在兩極上空受冷空氣影響，形成非常厚重的云團(tuán)，這些云團(tuán)在兩極強(qiáng)大引力的吸引下逐漸下沉，并隨著中子星的快速自轉(zhuǎn)而圍繞中子星極地旋轉(zhuǎn)，形成強(qiáng)大的極地渦旋。由于卷入極地渦旋的云團(tuán)數(shù)量巨大且快速旋轉(zhuǎn)，容易發(fā)生劇烈的摩擦和猛烈的碰撞，從而可在渦旋中產(chǎn)生強(qiáng)大猛烈、持續(xù)不斷的雷電，如圖5所示。

由于卷入極地渦旋的云團(tuán)源源不斷且以螺旋方式向下快速旋轉(zhuǎn)，因此可形成一系列近乎平行的厚實(shí)螺旋云路，這種下移的云路直接引導(dǎo)著帶負(fù)電的較重水滴向下流動(dòng)，從而形成電子快速下移、導(dǎo)電性能極佳的電路。由于渦旋中的云團(tuán)發(fā)生劇烈的摩擦和猛烈的碰撞，使渦旋中充滿了正離子和負(fù)離子。云中的水滴“優(yōu)先”吸收大氣中的負(fù)離子，使水滴逐漸帶上了負(fù)電荷，因?yàn)閹ж?fù)電的云滴比較重，就下移到云的下部甚至沿螺旋云路流落到渦旋底部，較輕的正離子逐漸被上升氣流帶到云的上部甚至沿螺旋云路上移到渦旋頂部，從而在螺旋云路中形成了從渦旋底部流向渦旋頂部的電流。特別地，由于螺旋云路上大量云團(tuán)快速向下旋轉(zhuǎn)，容易發(fā)生猛烈的碰撞，釋放出大量的引力勢(shì)能并轉(zhuǎn)化成電能，因此，渦旋中任何時(shí)刻都有許多電場(chǎng)和雷暴在活動(dòng)。每個(gè)雷暴好似一部靜電起電機(jī)，能產(chǎn)生負(fù)電荷并沿著云路將其送到渦旋底部，同時(shí)將正電荷沿著云路送到渦旋頂部，從而形成沿著螺旋云路從渦旋底部流向渦旋頂部的強(qiáng)大電流。由于這種電流源源不斷地沿著螺旋云路從渦旋底部流向渦旋頂部，因此就產(chǎn)生了強(qiáng)大的偶極磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)的N極指向地理南極而磁場(chǎng)的S極指向地理北極，如圖4所示。正是這些生于兩極的同向偶極磁場(chǎng)疊加在一起形成了脈沖星的磁場(chǎng)。在中子星的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每當(dāng)這樣一個(gè)渦旋指向地球時(shí)，地球上的人就可以收到脈沖星的電磁脈沖。

3 脈沖星的演化

我們已知脈沖星就是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，而中子星是由超新星爆發(fā)的產(chǎn)物，它并非一成不變的。隨著星系的運(yùn)行，中子星會(huì)不斷地吸收軌道附近的氣體、塵埃及其他星際物質(zhì)，使自身質(zhì)量逐漸增加，大氣層變厚，自轉(zhuǎn)速度逐漸降低。當(dāng)其表面重新覆蓋上一層厚厚的物質(zhì)，且其周?chē)髿鈱佑肿兊梅浅夂駮r(shí)，中子星表面的壓力和溫度就會(huì)變得足夠高以至重新啟動(dòng)熱核反應(yīng)，再次引起超新星爆發(fā)。結(jié)果會(huì)很快地地消耗積累起來(lái)的大氣層和表面物質(zhì)，使中子星再次發(fā)生坍縮，星體大大縮小，自轉(zhuǎn)速度大大提高，重新獲得一個(gè)質(zhì)量更大的中子星。由此可見(jiàn)，在脈沖星向大質(zhì)量恒星演變的過(guò)程中，可能要經(jīng)歷多次超新星爆發(fā)，每次超新星爆發(fā)都獲得一個(gè)質(zhì)量更大的中子星[10，11，12，13]，當(dāng)中子星的大氣層重新變厚時(shí)，便得到一個(gè)新的脈沖星，最終演變成一個(gè)黑洞。

4 從中子星的形成與演進(jìn)到黑洞的吸積與噴流

根據(jù)前面的描述可知，太陽(yáng)系中金星、地球、火星、木星和土星都有極地大氣漩渦。盡管地球和土星的極地大氣漩渦可跨越對(duì)流層和平流層，但從天文望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星拍攝的圖像來(lái)看，它們都酷似大質(zhì)量恒星上的吸積盤(pán)，如圖1和圖2所示。另一方面，一些國(guó)際性研究團(tuán)隊(duì)先后觀察到了黑洞吞噬一顆行星的全過(guò)程，結(jié)果驗(yàn)證了已有的黑洞吸積盤(pán)理論：由于物質(zhì)受到引力作用向中心天體落下形成的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)物質(zhì)沿螺線落向黑洞時(shí)，強(qiáng)大的引力場(chǎng)使得物質(zhì)摩擦并被加熱；黑洞的吸積盤(pán)熱得輻射出X射線。由此可以推斷上述行星上的大氣渦旋就是微小的吸積盤(pán)，而中子星、黑洞和活動(dòng)星系核上的吸積盤(pán)就是大尺度氣體渦旋[14，15，16，17]。因此，中子星渦旋的形成和電磁脈沖發(fā)射機(jī)理可以推廣到黑洞的吸積與噴流。

雖然現(xiàn)有的黑洞吸積盤(pán)理論基本上能解釋黑洞吸積盤(pán)的形成過(guò)程，但還不完善，未能清楚地揭示吸積盤(pán)的真真實(shí)結(jié)構(gòu)和地理位置。該理論僅根據(jù)觀察映像斷定黑洞吸積盤(pán)是一種盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，而不知道其真實(shí)面貌是一種大尺度渦旋結(jié)構(gòu)。該理論還錯(cuò)誤地認(rèn)為吸積盤(pán)是包圍中心天體并圍繞中心天體旋轉(zhuǎn)的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，而不知道吸積盤(pán)是生于星體極地并圍繞星體自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的大氣渦旋結(jié)構(gòu)，而且在星體兩極有對(duì)應(yīng)的一對(duì)大尺度漩渦。更糟的是現(xiàn)有的黑洞吸積盤(pán)理論未能揭示噴流的實(shí)質(zhì)性機(jī)制[18，19，20]。

在中子星向大質(zhì)量恒星演變的過(guò)程中，可能要經(jīng)歷多次超新星爆發(fā)，每次超新星爆發(fā)都能獲得一個(gè)質(zhì)量更大和轉(zhuǎn)速更快的中子星，最終演變成高速旋轉(zhuǎn)的黑洞。由于自轉(zhuǎn)離心力的作用，黑洞也逐漸演變成赤道隆起、兩極稍扁的球體，如圖4所示。由于黑洞的質(zhì)量比行星的質(zhì)量大得更多，因此黑洞周?chē)男窃坪穸群兔芏确謩e比地球和木星上的大氣厚度和密度大得多，這正是黑洞難以被觀察到的原因。當(dāng)黑洞快速自轉(zhuǎn)時(shí)，其赤道附近或低緯度地區(qū)上空的云團(tuán)在強(qiáng)大離心力的作用下容易脫離旋轉(zhuǎn)軌道而向兩極移動(dòng)，在兩極上空受冷空氣影響，形成非常厚重的云團(tuán)，這些云團(tuán)在兩極強(qiáng)大引力的吸引下逐漸下沉，并隨著黑洞的快速自轉(zhuǎn)而圍繞黑洞極地旋轉(zhuǎn)，形成強(qiáng)大的極地渦旋。由于卷入極地渦旋的云團(tuán)數(shù)量巨大且快速旋轉(zhuǎn)，容易發(fā)生劇烈的摩擦和猛烈的碰撞，從而可在渦旋中產(chǎn)生強(qiáng)大猛烈的雷電和噴流，如圖8所示。又因?yàn)榇髿鉁u旋的形狀像圓錐形漏斗，這個(gè)漏斗底部有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的圓柱，所以從這個(gè)圓柱產(chǎn)生的噴流將沿著圓錐中心軸線（即極軸）射出，形成一個(gè)宇宙火柱。

圖8 黑洞的吸積與噴流

5 結(jié)論

脈沖星的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一，為人類(lèi)探索自然開(kāi)辟了新的道路，而且對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。盡管人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)脈沖星之后，很快就確認(rèn)了脈沖星就是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，但對(duì)于為何中子星能源源不斷地發(fā)出電磁波的問(wèn)題卻一直懸而未決，拖延了將近半個(gè)世紀(jì)。因此本文作者重新分析了中子星的形態(tài)結(jié)構(gòu)和外部大氣環(huán)境，找到了中子星源源不斷地發(fā)出電磁波的本質(zhì)機(jī)制，提出了渦旋模型，并能很好地回答有關(guān)脈沖星本質(zhì)特征的一系列重要問(wèn)題，因此可謂是脈沖星研究的一次重大飛躍。另外，由于中子星、黑洞和活動(dòng)星系核上的吸積盤(pán)就是大尺度氣體渦旋，因此中子星渦旋的形成機(jī)制和電磁脈沖發(fā)射機(jī)制可以推廣到黑洞的吸積與噴流。

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