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2019-10-01突然快轉的時鐘—波霎週期的異常變化與星震
598 期
Author 作者
張祥光／清華大學天文研究所與物理系教授，曾任中華民國天文學會理事長，研究領域為高能天文物理。
在滿天的星星裡有一種特別的星球，它們用極其穩定的週期發出一閃一閃的無線電脈衝，如同GPS衛星，天文學家稱這種星球為波霎（pulsar），也可稱為脈衝星。波霎最先是由英國劍橋大學的貝爾（Jocelyn Bell）和其指導教授休伊什（Antony Hewish）在1967年所發現。因為當時無線電波已經廣為通訊使用，所以偵測到從外太空的宇宙深處傳來有規律的無線電訊號時，一開始很難不與外星文明產生聯想，更把最早發現的幾個波霎以「小綠人（Little Green Man）」的名稱來編號呢！
到目前為止，總共約有2700個波霎被發現。每個波霎都有一個自己的週期，這些無線電脈衝的週期長短從一、兩毫秒到好幾秒都有。每個波霎的週期都緩慢地變長，但變化率極小，大多是每秒增長千兆分之一秒的數量級，也就是每3000萬年才會增長1秒。因此，波霎的週期非常穩定，大概是宇宙中最精準的時鐘了。
波霎真面目──原來是中子星
波霎究竟是什麼樣的星球呢？根據週期長短及其極緩慢增長的現象，天文學家一般都認為波霎是快速旋轉且帶有強磁場的中子星（圖一）。中子星是由大質量恆星演化到最後，經過超新星爆炸事件所遺留下來的星球。事實上，滿天星斗其實都是像太陽一樣的星球，在星球內部核心處進行著核融合反應，提供發光發熱所需要的能量。
圖一：波霎示意圖。圖中顯示中子星的自轉軸並不一定與磁軸重疊，此轉軸的差異導致中子星自轉時，假如地球是在磁軸掃過的方向上，則會觀測到週期性的無線電脈衝信號。
這些星球因為在天上的位置相對固定，所以稱為恆星。各種核融合反應的燃料會耗盡，因此恆星從形成之後，就如同人的一生，隨著時間推展，因結構與物理狀態的改變，產生不同的樣貌。與太陽類似質量的恆星演化到最後，會變成一個白矮星；而質量較大的則會發生超新星爆炸事件，形成一個中子星；質量更大的，就有可能變成黑洞。因篇幅有限，筆者將白矮星與黑洞留待他日再敘，以下就只談談與本文主題有關的中子星。
中子星大解密
大質量恆星演化到最後，核心會產生一個大鐵核。進一步的重力塌陷，使得外部的物質爆開，而中間的核心部分密度則高到連原子核的界線都擠破，大量的質子與電子也都結合成中子，形成由中子組成的中子星。中子星的組成非常緻密，大約有一、兩個太陽質量，但是半徑卻只有10公里左右，如同把整個太陽壓縮到一個都市裡，密度極高且表面重力極強，光是一小湯匙的水就重達100萬公噸！
另外，中子星轉得很快，重力塌陷時就像是原先張開雙臂的溜冰選手把手收回，使自身旋轉速度提升。雖然確切的機制仍有待釐清，中子星形成的時候，也會產生極強的磁場，其表面的磁場強度大約是地球表面的一兆倍，有些甚至可高達1000兆倍！......【更多內容請閱讀科學月刊第598期】