6．太空中的灯塔

细心的读者在看完上面几节后，也许会提出一个问题：既然脉冲星就是旋转的中子星，那么中子星是如何发出脉冲辐射的？我们现在就来谈谈这个问题。

由上节内容知道，中子星是恒星坍缩而成的，根据大家熟知的角动量守恒定律，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的恒星要小许多倍。计算证明中子星的角速度应为一秒左右转一周，这与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提高。一般恒星表面的磁场强度为几高斯到1万高斯不等，如果一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10km的中子星时，磁场强度将达到10¹²高斯。那么大的场强比我们地球上所能产生的最高磁场强度要大100万倍。另一方面，中子星外面不会是真空，而是充满了电子与离子组成的等离子体。中子星外面的磁场“冻结”在等离子体中，等离子体随中子星一起转动。

我们知道，电子在磁场中将作螺旋运动，电子在作螺旋运动时速度不断改变，从而发出电磁辐射。如果电子的速度接近光速，称为相对论电子，相对论电子在磁场中作螺旋运动时发出的辐射称为同步加速辐射，这种辐射的特点是有很强的方向性，辐射方向就是沿着电子的运动方向。另外，这种辐射还是高度偏振的。关于此种辐射，理论上早有预言，并首先在同步加速器里探测到，因而称为同步加速辐射。中子星表面等离子体中的电子主要就是产生这种辐射。

图5-3　脉冲星模型

中子星的磁场是一种偶极磁场，类似于地球的磁场，在磁场的两极处磁场最强，电子则沿磁力线呈射束向远方喷射，它们所产生的同步加速辐射也是在此方向上射出的，形成为一个光束圆锥。而中子星的磁轴一般是不和自转轴重合的（如图5-3所示）。因而当中子星自转时，这个光束圆锥像探照灯光一样扫过空间，当它扫过我们的望远镜时，便形成一个脉冲信号。脉冲星就像宇宙空间中的一座灯塔！

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，这是符合上面的模型的，说明只是极区有辐射，而不是整个星体都有辐射。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：中子星的轴会像快速转动的陀螺的轴一样，在空中画一个圈。因此它的射束与我们的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。

脉冲星发射的脉冲极为稳定，它发射的脉冲信号甚至比地球上的某些原子钟还准确。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中周期只加长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可以推测它的年龄。蟹状星云脉冲星的周期很短，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，这同其他方法得到的结果是接近的。

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体的转动能。中子星表面的相对论电子发出同步加速辐射时，其能源又来自于中子星的转动能，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。