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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】