关于脉冲星的毕业论文

近日中国天眼——500米口径球面射电望远镜首次发现新脉冲星的消息震惊了全国，震惊了世界，这是这口2016年9月25日完工投入试运营的占地30个足球场大小的“庞然大物”;第一次展示其惊人能力。毫无疑问，无数国人都引以为豪，激动万分，奔走相告。

那么，问题来了，这个万光年外的脉冲星，到底是什么呢？激动了半天，还不知道它看到了什么，岂不是很尴尬。

脉冲星，简单地说就是旋转的中子星，只不过这里的旋转跟我们地球的自转相比，要快得多得多得多。地球自转周期约为24小时，而很多脉冲星的自转周期短至秒，大家应该知道有多快了。

说完旋转，再说中子星，顾名思义，中子星内的物质都由中子构成，它是由大质量的恒星死亡（停止热核反应）后急速塌缩后形成超大质量却超小体积的星体，它和白矮星、黑洞一样，都是恒星死亡的产物。而这样的特点使它拥有强磁场和强电磁辐射，电磁辐射沿着磁场轴线方向传到地球就是一次脉冲，而其自转一周就脉冲一次，故得名脉冲星，也正由于这样的脉冲，人类才发现了它。

至于说“天眼”，其实并不是“眼”;，因为看不到可见光，而是接收无线电信号，所以它“看到”的宇宙一点都不漂亮，大家想要直观观测宇宙还是得依靠光学望远镜，比如哈勃太空望远镜。

现在你明白这其中的知识了吗？

我们地球所处的宇宙具有两大基本特性，一是宇宙是物质的，也就是宇宙是由物质来组成的，组成宇宙的这些物质所形成的就是天体，包括恒星、行星、卫星、星云、流星体及星际间物质等；二是宇宙是运动的，也就是宇宙中的所有物质都是在运动当中的，在宇宙中静止是相对的，而运动是绝对的，天体之前由于运动从而相互吸引、相互绕转形成了天体系统。

关于脉冲星

随着人类对于宇宙的观测越来越深入，人类对于天体的了解也越来越深入，特别是我们地球所在的太阳系内天体，是我们目前研究的重点对象，比如像太阳那样的恒星、如水星金星等类地行星、如木星土星等气态行星、还有小行星、卫星、流星体等。但是也有很多天体，在太阳系内可能不存在，而是存在于遥远的宇宙空间中，比如今天我们要聊聊的脉冲星。

红巨星和中子星

什么是脉冲星呢？脉冲星就是旋转的中子星。它是在1967年被首次发现的，当时研究人员发现狐狸星座有一颗星会发出一种周期性的电波，因为这种星体不断地周期性发出电磁脉冲信号，就把它命名为脉冲星。脉冲星是中子星的一种，中子星是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一，质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。

中子星伽马射线爆发示意图

中子星的半径一般很小，大概介于10至30千米之间，远远小于地球的平均半径6371千米，但是别忘了中子星是恒星演化而来的，所以中子星的密度可以达到每立方厘米的质量为8千万到20亿吨之巨，是水的密度的一百万亿倍，在宇宙中中子星的密度仅次于黑洞。绝大多数的脉冲星都是中子星，但是中子星不一定是脉冲星，有脉冲信号的中子星才能叫脉冲星。

脉冲星动态图

之所以有的中子星能够发出脉冲信号，目前普遍认为中子星也在向外辐射能力，但是其能量辐射不是像太阳那样往四周辐射，而是通过中子星的磁极发射出来，就像向外打了两束手电筒的光。而中子星的磁轴与旋转轴之间往往成一定角度，当星体旋转时，这一能量束就象灯塔的光束或救护车警灯一样，扫过太空。当能量束扫到地球时，我们就能探测到，当能量束扫过去时，就探测不到了。

中国天眼FAST

脉冲星由于体积很小，人类基本上不可能通过望远镜直接观测到，主要是通过接受其脉冲信号来判断和确定脉冲星的。那就需要用到大型射电望远镜了，比如我国贵州的FAST大型射电望远镜，就是寻找脉冲星的利器。根据脉冲星的旋转速度，其脉冲周期也各不相同，不过大多数其自转周期都短于1秒，有的甚至达到毫秒级别，也就是差不多在1秒的时间内，脉冲星就旋转了1000圈。

脉冲星示意图

脉冲星如此稳定的脉冲信号给我们人类提供了很多的科学研究价值，一方面脉冲星就像是一个精确的钟表，可以作为计时的依据。另一方面，将来在进行宇宙空间探索的时候，我们可以利用脉冲星来进行星际方向的确定，以及星际导航，帮助人类走出太阳系，向宇宙深处探索。

射电望远镜：仔细倾听宇宙

编译 冯维维

Science , 23 July 2021, Vol 373, Issue 6553

《科学》 2021年7月23日，第373卷，6553期

天体物理学 Astrophysics

Peta–electron volt gamma-ray emission from the Crab Nebula

来自蟹状星云的高能光子

作者：The LHAASO Collaboration

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摘要

蟹状星云含有一颗脉冲星，它能激发周围的气体释放出高能辐射。脉冲星的年轻及其附近的位置使得该星云成为天空中最亮的伽马射线源。

作者报道了这种源在1012到1015电子伏的能量下的观察结果，扩展了这种原型物体的光谱。

他们将这些数据与较低能量下的观测数据结合起来，以模拟辐射过程的物理过程。多波长数据可以用同步辐射和逆康普顿散射的结合来解释。

Abstract

The Crab Nebula contains a pulsar that excites the surrounding gas to emit high-energy radiation. The combination of the pulsar's youth and nearby location makes the nebula the brightest gamma-ray source in the sky. Cao et al. report observations of this source at energies of tera– to peta–electron volts, extending the spectrum of this prototypical object. They combine these data with observations at lower energies to model the physics of the emission process. The multiwave-length data can be explained by a combination of synchrotron radiation and inverse Compton scattering.

Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data

“洞察号”地震数据揭示火星上地幔结构

作者：Amir Khan, Savas Ceylan, William B. Banerdt, etc.

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摘要

两年来，“洞察号”着陆器一直在记录火星上的地震数据，这些数据对了解火星的结构和热化学状态至关重要。作者利用8个低频火星地震的直接（P和S）和地表反射（PP、PPP、SS和SSS）体波相的观测，将内部结构限制在800公里的深度。

他们发现了一种与低速带相容的结构，该低速带与热岩石圈比地球上厚得多，这可能与远震距离上的弱s波阴影带有关。通过结合地震约束和地球动力学模型，作者预测，相对于原始地幔，地壳的产热元素更丰富，是原始地幔的13 - 20倍。

这种富集比伽玛射线地表测绘所建议的要大，并且具有中等到高的地表热流。

Abstract

For 2 years, the InSight lander has been recording seismic data on Mars that are vital to constrain the structure and thermochemical state of the planet. We used observations of direct (P and S) and surface-reflected (PP, PPP, SS, and SSS) body-wave phases from eight low-frequency marsquakes to constrain the interior structure to a depth of 800 kilometers. We found a structure compatible with a low-velocity zone associated with a thermal lithosphere much thicker than on Earth that is possibly related to a weak S-wave shadow zone at teleseismic distances. By combining the seismic constraints with geodynamic models, we predict that, relative to the primitive mantle, the crust is more enriched in heat-producing elements by a factor of 13 to 20. This enrichment is greater than suggested by gamma-ray surface mapping and has a moderate-to-elevated surface heat flow.

Thickness and structure of the martian crust from InSight seismic data

“洞察号”地震数据揭示火星地壳厚度和结构

作者：Brigitte Knapmeyer-Endrun, Mark P. Panning, Felix Bissig, W. Bruce Banerdt, etc.

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摘要

行星的地壳见证了行星的形成和演化 历史 ，但对于火星来说，还没有对地壳厚度的绝对测量。作者利用火星地震记录和周围波场确定了洞察号登陆点下方地壳的结构。

通过分析在地下界面反射和转换的地震相，他们发现观测结果与模型相符，至少有两个界面，也可能有三个界面。如果第2个界面为地壳边界，厚度为20 5公里；如果第3个界面为地壳边界，厚度为39 8公里。

全球重力和地形图允许对整个星球进行这种点测量，显示火星地壳的平均厚度在24到72公里之间。独立的体积组成和地球动力学约束表明，较厚的模型与观测到的浅层地壳产热元素的丰度一致，而较薄的模型则需要在深度上更大的浓度。

Abstract

A planet’s crust bears witness to the history of planetary formation and evolution, but for Mars, no absolute measurement of crustal thickness has been available. Here, we determine the structure of the crust beneath the InSight landing site on Mars using both marsquake recordings and the ambient wavefield. By analyzing seismic phases that are reflected and converted at subsurface interfaces, we find that the observations are consistent with models with at least two and possibly three interfaces. If the second interface is the boundary of the crust, the thickness is 20 5 kilometers, whereas if the third interface is the boundary, the thickness is 39 8 kilometers. Global maps of gravity and topography allow extrapolation of this point measurement to the whole planet, showing that the average thickness of the martian crust lies between 24 and 72 kilometers. Independent bulk composition and geodynamic constraints show that the thicker model is consistent with the abundances of crustal heat-producing elements observed for the shallow surface, whereas the thinner model requires greater concentration at depth.

Seismic detection of the martian core

火核的地震探测

作者：Simon C. Stähler, Amir Khan, W. Bruce Banerdt, Suzanne E. Smrekar

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摘要

一颗行星的地质 历史 线索包含在它的内部结构中，尤其是它的核心。作者利用“洞察号”地震数据探测到来自火星核-地幔边界的地震波反射，并将其与大地测量数据进行反演，将液态金属核的半径限制在1830 40公里。

巨大的地核表明火星地幔在矿物学上类似于地球上的上地幔和过渡带，但与地球不同的是没有以桥曼石为主的下地幔。我们推断出核的平均密度为每立方厘米至克，这就需要大量的轻元素溶解在铁镍核中。

从洞察号的位置上看到的地震核心阴影覆盖了火星表面的一半，包括大多数潜在的活跃区域。这可能限制了可探测到的火星地震的数量。

Abstract

Clues to a planet’s geologic history are contained in its interior structure, particularly its core. We detected reflections of seismic waves from the core-mantle boundary of Mars using InSight seismic data and inverted these together with geodetic data to constrain the radius of the liquid metal core to 1830 40 kilometers. The large core implies a martian mantle mineralogically similar to the terrestrial upper mantle and transition zone but differing from Earth by not having a bridgmanite-dominated lower mantle. We inferred a mean core density of to grams per cubic centimeter, which requires a substantial complement of light elements dissolved in the iron-nickel core. The seismic core shadow as seen from InSight’s location covers half the surface of Mars, including the majority of potentially active regions—., Tharsis—possibly limiting the number of detectable marsquakes.

粒子物理学 Particle Physics

Coherent manipulation of an Andreev spin qubit

安德烈夫自旋量子位的相干操纵

作者：M. Hays, V. Fatemi, D. Bouman, J. Cerrillo, S. Diamond, K. Serniak, T. Connolly, P. Krogstrup, J. Nygård, A. Levy Yeyati, A. Geresdi, M. H. Devoret

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摘要

到目前为止，发展量子信息处理系统最有希望的固态方法是基于超导电路的循环超电流和操纵半导体量子点中电子的自旋特性。

作者结合了这两种方法的可取之处，超导电路的可扩展性和量子点的紧凑空间，来设计和制造超导自旋量子比特。

这个所谓的安德烈夫自旋量子位提供了开发一个新的量子信息处理平台的机会。

Abstract

To date, the most promising solid-state approaches for developing quantum information-processing systems have been based on the circulating supercurrents of superconducting circuits and manipulating the spin properties of electrons in semiconductor quantum dots. Hays et al. combined the desirable aspects of both approaches, the scalability of the superconducting circuits and the compact footprint of the quantum dots, to design and fabricate a superconducting spin qubit (see the Perspective by Wendin and Shumeiko). This so-called Andreev spin qubit provides the opportunity to develop a new quantum information processing platform.

Inhibited nonradiative decay at all exciton densities in monolayer semiconductors

在单层半导体的所有激子密度下抑制无辐射衰减

作者：Hyungjin Kim, Shiekh Zia Uddin, Naoki Higashitarumizu, Eran Rabani, Ali Javey

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摘要

由于激子发生非辐射湮灭，单层过渡金属二卤族的光致发光量子产额在高发射强度下普遍下降。作者指出，这一过程在这些材料中通过它们的联合态密度的van Hove奇点共振放大。

然而，小的机械应变（约）的应用改变了van Hove奇点，抑制了非辐射过程。在剥离的硫化钼、硫化钨和硒化钨单分子层以及化学气相沉积的厘米级硫化钨单分子层中，都可以看到高激子密度下的近统一光致发光量子产额。

Abstract

The photoluminescence quantum yield in monolayer transition metal dichalcogenides generally drops at high emission intensities because the excitons undergo nonradiative annihilation. Kim et al. show that this process is resonantly amplified in these materials by van Hove singularities in their joint density of states. However, application of small mechanical strains ( ) shifted the van Hove singularities and suppressed the nonradiative processes. Near-unity photoluminescence quantum yield at high exciton densities was seen in exfoliated monolayers of molybdenum sulfide, tungsten sulfide, and tungsten selenide, as well as centimeter-scale tungsten sulfide monolayers grown by chemical vapor deposition.

Atomically resolved single-molecule triplet quenching

原子分辨单分子三态猝灭

作者：Jinbo Peng, Sophia Sokolov, Daniel Hernangómez-Pérez, Ferdinand Evers, Leo Gross4, John M. Lupton, Jascha Repp

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摘要

分子的非平衡三重态在光催化、有机光伏和光动力治疗等方面发挥着重要作用。作者通过引入原子力显微镜中的电子泵浦探针方法，报告了直接测量单个并五苯分子在绝缘表面上的三重态寿命的原子分辨率。

如果氧分子在近距离内共吸附，可以观察到三重态寿命的强烈猝灭。通过单分子操作技术，与氧分子的不同排列被创造出来，并以原子精度表征，允许分子排列与淬灭三重态的寿命直接相关。

这种单分子长寿命三联体的电寻址，结合原子尺度的操作，为控制和研究局部自旋-自旋相互作用提供了以前未 探索 的途径。

Abstract

The nonequilibrium triplet state of molecules plays an important role in photocatalysis, organic photovoltaics, and photodynamic therapy. We report the direct measurement of the triplet lifetime of an inpidual pentacene molecule on an insulating surface with atomic resolution by introducing an electronic pump-probe method in atomic force microscopy. Strong quenching of the triplet lifetime is observed if oxygen molecules are coadsorbed in close proximity. By means of single-molecule manipulation techniques, different arrangements with oxygen molecules were created and characterized with atomic precision, allowing for the direct correlation of molecular arrangements with the lifetime of the quenched triplet. Such electrical addressing of long-lived triplets of single molecules, combined with atomic-scale manipulation, offers previously unexplored routes to control and study local spin-spin interactions.

生态学 Ecology

Innovation and geographic spread of a complex foraging culture in an urban parrot

城市鹦鹉复杂觅食文化的创新和地理传播

作者：Barbara C. Klump, John M. Martin, Sonja Wild, Jana K. Hörsch, Richard E. Major, Lucy M. Aplin

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摘要

文化创新的出现、传播和建立可以促进对人类变化的适应性反应。作者描述了一个发展适应城市环境的文化的假定案例：野生硫冠凤头鹦鹉打开家庭垃圾箱。

社区科学报告的空间网络分析揭示了通过 社会 学习，鹦鹉打开从澳大利亚郊区的3个垃圾箱到悉尼市区44个垃圾箱的地理分布。对160个直接观察结果的分析揭示了个体风格和特定地点的差异。

作者描述了从创新的传播到地理变异的出现的完整路径，证明了鹦鹉的觅食文化，并表明了鹦鹉文化复杂性的存在。垃圾箱的打开与人类提供的机会直接相关，突出了文化促进对人类变化的行为反应的潜力。

Abstract

The emergence, spread, and establishment of innovations within cultures can promote adaptive responses to anthropogenic change. We describe a putative case of the development of a cultural adaptation to urban environments: opening of household waste bins by wild sulphur-crested cockatoos. A spatial network analysis of community science reports revealed the geographic spread of bin opening from three suburbs to 44 in Sydney, Australia, by means of social learning. Analysis of 160 direct observations revealed inpidual styles and site-specific differences. We describe a full pathway from the spread of innovation to emergence of geographic variation, evidencing foraging cultures in parrots and indicating the existence of cultural complexity in parrots. Bin opening is directly linked to human-provided opportunities, highlighting the potential for culture to facilitate behavioral responses to anthropogenic change.

生命科学 Life Science

Enterically derived high-density lipoprotein restrains liver injury through the portal vein

肠内高密度脂蛋白通过门静脉抑制肝损伤

作者：Yong-Hyun Han, Emily J. Onufer, Li-Hao Huang, Robert W. Sprung, W. Sean Davidson, Rafael S. Czepielewski, Mary Wohltmann, Mary G. Sorci-Thomas, Brad W. Warner, Gwendalyn J. Randolph

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摘要

高密度脂蛋白（HDL）对胆固醇代谢很重要，可能具有抗炎和抗菌特性。虽然HDL主要由肝脏产生，但肠道也是一个来源。

作者在小鼠实验中发现，肠道高密度脂蛋白不会进入体循环。而是以HDL3的形式，通过肝门静脉直接输送到肝脏。在那里，它将细菌的脂多糖从肠道中隔离出来，这些脂多糖会引发炎症和肝脏损伤。

在各种肝损伤模型中，肠道高密度脂蛋白的丢失加重了病理。相比之下，提高肠道高密度脂蛋白的药物可改善疾病结果。HDL - 3在门静脉血液中富集，提示肠内HDL可能是治疗肝病的靶点。

Abstract

High-density lipoprotein (HDL) is important for cholesterol metabolism and may have anti-inflammatory and antimicrobial properties. Although HDL is mainly produced by the liver, the intestine is also a source. Han et al. show in mice that intestinal HDL is not routed to the systemic circulation. Rather, in the form of HDL3, it is directly transported to the liver through the hepatic portal vein. There, it sequesters bacterial lipopolysaccharide from the gut that can trigger inflammation and liver damage. In various models of liver injury, loss of enteric HDL exacerbated pathology. By contrast, drugs elevating intestinal HDL improved disease outcomes. HDL3 is enriched in human portal venous blood, suggesting that enteric HDL may be targetable for the treatment of liver disease.

Retinal waves prime visual motion detection by simulating future optic flow

视网膜波通过模拟未来光流实现视觉运动检测

作者：Xinxin Ge, Kathy Zhang, Alexandra Gribizis, Ali S. Hamodi, Aude Martinez Sabino, Michael C. Crair

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摘要

当一只老鼠在森林的地面上向前奔跑时，它所经过的风景是向后流动的。作者的研究表明，发育中的小鼠视网膜提前实践了眼睛在小鼠移动时必须处理的东西。

视网膜活动的自发波与几天后在环境中实际运动时产生的波形相同。这种自发的模式活动改善了大脑上丘细胞的反应能力，上丘接收来自视网膜的神经信号以处理方向性信息。

Abstract

As a mouse runs forward across the forest floor, the scenery that it passes flows backwards. Ge et al. show that the developing mouse retina practices in advance for what the eyes must later process as the mouse moves. Spontaneous waves of retinal activity flow in the same pattern as would be produced days later by actual movement through the environment. This patterned, spontaneous activity refines the responsiveness of cells in the brain's superior colliculus, which receives neural signals from the retina to process directional information.

从刚开始只是在这方面有一定的兴趣，然后慢慢的投入这方面的一些资金，在这个过程中也是不断的在进行研究，而且我们国家在这方面也是加大了人才的培养。

炽热发白的白矮星（图片来源：）

对于很多读者尤其是喜欢天文的读者而言，“脉冲星”与“白矮星”都是比较熟悉的概念。脉冲星与白矮星都是恒星死亡后的产物，都具有非常高的密度。那么，科学家近期发现的“白矮脉冲星”又是什么？它们本质上是白矮星还是脉冲星？它们是怎么产生的？

这是赛先生2017科普创作协同行动的第4篇文章。

撰文：王善钦（加州大学伯克利分校天文系）

审校：张双南（中国科学院高能物理研究所）

高温而黯淡的白矮星

白矮星为什么被称为“白矮星”？因为它们又白又矮。它们温度高，因此颜色是白的；它们亮度很低，因此被称为“矮星”。星体温度越高，亮度越大；星体表面积越大，亮度也越大。白矮星的温度很高，那么它们理应很亮，但事实上它们很暗。这又是为什么呢？这是因为：它们的表面积太小了。

因为表面积小，所以半径也就小，体积也就小，它们的体积与地球差不多。既然如此，它们应该很轻了吧？并不是。它们其实很重，大约有一个太阳那么重，因此有几百万个地球那么重。由于它们的体积和地球差不多，所以白矮星的密度是地球密度的几百万倍，只要一根小指头那么大，就有上万斤。

白矮星是怎么来的？从与太阳差不多大的那些恒星，到质量低于8个太阳的恒星，它们在烧完星体中心可以燃烧的氢之后，就会点燃核心的氦，在中心烧出碳和氧，最后，它们的中心收缩为一颗碳和氧为主的白矮星。还有一些质量很低的恒星，中心烧出氦之后，因为温度不够高，无法烧出碳和氧，它们就形成了氦为主的白矮星。

宇宙中一些碳氧白矮星就是一颗颗巨大的钻石。我们的太阳在几十亿年以后就会在中心形成一颗碳氧白矮星。这些巨大的钻石有地球那么大，但有太阳那么重。当然，氦白矮星没有这份“荣耀”，因为钻石的化学成分是碳。

图1.碳氧白矮星（右）与地球（左）差不多大小，就像一个巨大的钻石。（图片来源：Youtube视频Giant Planet Sized Diamond Found Floating in Space截图）

第一颗白矮星于1910年被Russell、Pickering与Fleming通过光谱分析正式确认。天文学史上最著名的白矮星是天狼星A的伴星——天狼星B，图2为哈勃太空望远镜拍摄出的天狼星A与B的图像。

图2.天狼星A与B的图像，箭头所指为白矮星——天狼星B（图片来源：NASA/ESA）

白矮星的质量不可以无限大，绝大多数白矮星的质量不会超过太阳质量，除非有快速的旋转或者强烈的磁场。这个质量最大值被称为“钱德拉锡卡极限”，因为钱德拉锡卡首先计算出大概的数值。两颗与太阳差不多质量的白矮星撞击，或者一颗白矮星吸取了过量的物质，都会导致质量超过这个极限，进而导致猛烈的核聚变爆炸（热核爆炸），形成热核爆炸超新星，其光谱型被称为“Ia型”，所以也被称为Ia型超新星，公元1006年被观测到的著名超新星就是这么爆炸而来的。

中子星与脉冲星

1932年，Chadwick在试验中发现了中子。不久后，Landau提出，宇宙中有一种星体几乎完全由中子组成，这就是中子星。1934年，Baade与Zwicky提出，超新星爆发后会留下中子星。

要想让星体成为中子星，就要求组成星体的原子中的电子必须被压入原子核中，与原子核中的质子结合为中子，这样，整个星体就几乎全是中子。当星体被压缩到这种程度时，它的密度就可以与原子核密度相提并论。一个太阳那么大的星体，如果被压缩为一个中子星，它的半径就只有大约10公里。那么它的密度不仅比普通物质高得多，也比白矮星的密度高得多。

在中子星的概念被提出之后的40多年间，大多数天文学家不相信宇宙中有中子星，这期间，最重要的理论工作就是：奥本海默（原子弹之父）与合作者研究了中子星的性质，断定中子星有一个最大质量，这个最大质量被称为“奥本海默极限”。后来的学者修正了这个研究结果，断定这个极限质量大约是2到3个太阳质量。

1967年11月28日，Hewish的研究生Bell在监测Hewish与Ryle建立的射电望远镜阵列接受的辐射信号时，发现了一个周期性变化的信号，就像脉搏跳动一样，周期为秒。

尽管二人一开始开玩笑地认为这是传说中的“外星人（小绿人，little green men，LGM）”发出的信号，但在1968年的一期《自然》（Nature）杂志发表的论文中，他们依然严肃地猜测这可能是白矮星或者中子星的闪烁辐射。同年，Gold在下一期的《自然》杂志用中子星的“灯塔模型”解释了这个信号，这个源也被命名为“脉冲星”。因此，这是第一颗被发现的脉冲星，也自然是第一个被发现的中子星。

图3. Bell记录下的第一个射电脉冲信号，横坐标跨度为20秒，脉冲信号（凹陷处）周期为秒（图片来源：Mullard Radio Astronomy Observatory）

什么是“灯塔模型”？在理解这个模型前，先从我们在初中时就知道的一个事实谈起：地球的自转轴（地理的南北极所在的轴线）与地球的磁轴（磁场南北极所在的轴线）不重合，有一个磁偏角。

中子星也类似，也有磁偏角，这导致其磁轴不断移动（图4），使得辐射并不对准一个方向而是沿着磁极方向发出的，地球上的观测者每隔一个时期接受到这个中子星的辐射，因为是周期性地收到辐射，因此将其命名为“脉冲星”。这就如海岛上的灯塔中的灯在旋转，海面上的船只会周期性地接收到灯塔发出的光。因此，这个模型被称为“灯塔模型”。

图4.中子星的灯塔模型可以解释脉冲星（图片来源：）

从此人们就认定宇宙中存在中子星。今年恰好是中子星被发现50周年。1974年，Hewish与Ryle分享了诺贝尔物理学奖，Hewish的获奖理由是“在发现脉冲星时的决定性作用”。（注1）

简单说，脉冲星就是快速转动的中子星。它们的磁场非常强，因此会沿着磁轴方向发出大量辐射，同时转动变慢。在这个过程中，将自转能转化为辐射。如果它们的辐射周期性地扫过地球，因而被地球上的望远镜或者地球上空的卫星观测到，它们就被人类称为“脉冲星”。

因此，“脉冲星”这个叫法本身并不能体现出这些天体的本质，它们本质上其实是中子星。（注2）如果有些中子星的辐射始终没有朝向地球，但通过其他方式被人类发现，那就只能被称为“中子星”，而不能被称为“脉冲星”。

质量是太阳8倍以上的恒星，有一大部分最后会爆炸为超新星，这样的超新星，大多数会留下中子星。例如，公元1054年被观测到的超新星，爆炸后就在中心留下了中子星，它发出的辐射照亮了它的遗迹（蟹状星云），如图5。由于中子星自身极小，因此在图中无法被看到。

图5.蟹状星云中心的中子星的辐射照亮了蟹状星云（图片来源：NASA/ESA）

白矮脉冲星：白矮星中的战斗机

在我们理解了中子星与脉冲星的关系之后，我们就可以看看白矮星与白矮脉冲星的关系了。

当白矮星也有强大磁场，且也有磁偏角时，它发出辐射的行为，也会像（中子）脉冲星一样。可见，白矮脉冲星就是“辐射行为像（中子）脉冲星的白矮星”。此前人类发现了大量白矮星，但没有一颗具有这样的行为，因此都被认定为普通的白矮星。

现在，人们首次发现了白矮脉冲星，它们就如同白矮星中的战斗机。因此，从现在开始，我们可以将脉冲星细分为“中子脉冲星”与“白矮脉冲星”，前者就是我们熟悉的“脉冲星”。不过，现在没有如此严格区分命名，这是因为“中子脉冲星”在过去50年中已经被大量发现，而“白矮脉冲星”只是首次被发现。

如果从一开始发现的“白矮脉冲星”就和“中子脉冲星”一样多，那么这两个概念就是平等的概念，“脉冲星”这个称呼也不会被“中子脉冲星”所独占了。

就如我们平时一说爱因斯坦，指的是阿尔伯特·爱因斯坦，而提到他的大儿子汉斯·爱因斯坦时，必然要称呼完整的姓名。如果父子俩一样有名，我们还真的要区分“阿尔伯特·爱因斯坦”和“汉斯·爱因斯坦”，至少也得是“老爱因斯坦”与“小爱因斯坦”。

第一个被发现的白矮脉冲星

白矮星在一百多年前就已被发现，但“白矮脉冲星”却直到去年才被发现。今年1月23日，发现“白矮脉冲星”的相关的研究论文正式在《自然·天文》（Nature Astronomy）出版，作者分别是Buckley（南非天文台），Meintjes（南非自由州大学物理系），Potter（南非天文台），Marsh（英国华威大学物理学）与Gänsicke（英国华威大学物理学）。我们来看看这个“白矮脉冲星”是怎么被发现的，有什么特点。

首先，在天蝎座方向、距离地球380光年的地方有一个变星，它被命名为“AR Scorpii”，简称为“AR Sco”。这个变星的亮度变化的周期是分钟，约等于2分钟。每隔2分钟，这个变星从紫外到射电的各个波段都出现一次变化。

其次，Buckley等人仔细研究了AR Sco的亮度变化行为，断定它由两个天体组成，即，这是一个双星系统，这个双星系统的两颗星的距离为140万公里，是地球-月亮平均距离（约38万公里）的近4倍，不到地球与太阳距离的百分之一。由于星体距离非常近，这颗双星系统围绕共同中心公转的周期大约是3个半小时。

然后，Buckley等人推断出，这个双星系统中的一个星体是一个“红矮星”，质量是太阳的倍。正是这颗红矮星的亮度变化，导致AR Sco的亮度变化。

那么，是什么导致这个红矮星的亮度出现这样的变化呢？Buckley等人推断出，这个双星系统的另一颗星体是一颗“白矮脉冲星”（好了，终于到重点了！），这颗白矮星的质量是太阳的倍，是伴星质量的近3倍。这颗白矮星的自转周期是2分钟。

Buckley等人认为，这个白矮脉冲星（白矮星）的转动周期在增加（转动速度在减小），每隔10万年转动周期增加1秒多。这导致其转动能减少。由于能量守恒，损失的转动能必须有一个去处，这个去处就是变为强烈的辐射。

这颗白矮星辐射的亮度约为太阳亮度的倍，但却是其伴星（红矮星）亮度的十几倍。由于存在磁偏角，所以辐射方向周期性变化，每隔2分钟扫中红矮星一次，导致红矮星急剧变亮，辐射离开后，红矮星亮度降低。以两分钟为周期，不断变亮变暗。

图6.白矮星的辐射周期性地扫过伴星（红矮星）（图片来源：华威大学（University of Warwick））

因此，Buckley等人是通过红矮星亮度的周期性变化，间接确定出有这么一个白矮脉冲星（白矮星），而不是直接接收到它的辐射。这与50年前Bell发现“（中子）脉冲星”的情况是不一样的，上面说过，“（中子）脉冲星”的射电辐射是被射电望远镜直接接收到的。

白矮星与一个气态的恒星组成双星系统时，经常会从气态伴星那里窃取（“吸积”）物质。作者们根据光谱特征和X射线亮度，推断出，这个白矮星没有或者几乎没有这种窃取行为，它反过来将自己发出的辐射送给了伴星。

总结

白矮脉冲星本质就是一个白矮星。由于转动变慢，它将其转动能转化为辐射。由于存在磁偏角，所以它的辐射周期性扫中它的伴星，导致伴星亮度出现周期性的强烈变化。

我们甚至可以很合理地推测，之前发现的大量白矮星中，有一部分的性质与这次发现的星体性质很类似，只不过它们的辐射没有扫中合适的伴星并使后者出现剧烈变化，因此无法确认出它们“类似于脉冲星”的性质。

而这次，Buckley等人很幸运地通过一个双星系统构成的变星，发现了这样一颗奇特的星体，它像人们熟悉的“（中子）脉冲星”一样发出辐射，因此被命名为“白矮脉冲星”。但正如“（中子）脉冲星”本质上是中子星一样，“白矮脉冲星”本质上就是白矮星，并不特别神秘。有时候，（中子）脉冲星会与白矮星形成双星系统，图7为此类系统的艺术想象图。左边体积较小的是（中子）脉冲星会，右边体积较大的是白矮星。要注意，二者的比例并没有按照真实比例画出，因为中子星的半径就10公里，而白矮星的半径有几千公里，如果照着比例精确画出，二者的大小差距将大得多。

我国的天文学是世界上起步最早，并且也是发展最快的一个国家，而且我国对天文学的研究非常的深刻，还有着相应的历法和非常丰富的记载。