脈沖星的形成與演化及黑洞的吸積與噴流

鐘萃相

【摘 要】脈沖星的發現是20世紀60年代激動人心的重大發現，對現代物理學的發展產生了深遠影響。盡管人們在發現脈沖星之后，很快就確認了脈沖星就是快速旋轉的中子星，但對于中子星源源不斷地發出電磁脈沖信號的本質機制卻一知半解。因此本文作者分析了中子星的形態結構和大氣環境，發現一個中子星通常有兩個大氣渦旋結構分別位于其南極和北極，因而包含兩組并行的螺旋云路，可產生兩組分別位于南極和北極的偶極子磁場。正是這兩組極性相同的偶極子磁場的疊加形成了中子星的磁場，能源源不斷地發出燈塔光似的電磁脈沖信號。由于太陽系行星上的大氣渦旋是微小的吸積盤，而中子星、黑洞和活動星系核的吸積盤實質上是大尺度的大氣渦旋，因此中子星大氣渦旋的形成機制和電磁脈沖信號發射機制可以推廣到黑洞的吸積與噴流。

【關鍵詞】脈沖星；中子星；電磁脈沖信號發射機制；黑洞；吸積；噴流

中圖分類號： P145.6 文獻標識碼： A 文章編號： 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、磁場之強超乎人們的想象，因而引起了人們的極大興趣和好奇。1967年11月28日，劍橋大學卡文迪什實驗室的安東尼·休伊什教授和他的研究生喬絲琳·貝爾首先發現了脈沖星發來的電磁脈沖信號[1，2]，接著他們很快就確認了脈沖星就是快速旋轉的中子星，使中子星由假設變成了事實[3]。這真是上個世紀天文學上的一件大喜事。因此，脈沖星的發現被稱為二十世紀六十年代的四大天文學重要發現之一。休伊什教授也因此獲得了1974年的諾貝爾物理學獎。

自從第一顆脈沖星被發現之后，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現的[4，5]。脈沖星的一個顯著特性是穩定而短暫的脈沖周期[6]，這樣有規則的脈沖是怎樣產生的呢？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程，找到了一個的科學合理的答案。

1 現有的脈沖星形成與演化理論

脈沖星及其奇異特性的發現促使人們對脈沖星的起源和演化做了認真的研究。天文學家得出的初步結論是一個脈沖星起源于一個大質量恒星在超新星爆發過程中被壓縮而成的一個中子星。該中子星保留了原恒星的大部分角動量，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速度。同時，收縮使中子星成為一塊極強的磁鐵，電磁波束就是沿著該脈沖星的磁極發射出來的，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軸一致。這種不一致使得脈沖星每旋轉一次其電磁波束只能被看到一次，這就導致了脈沖星表面上的脈沖性。這種假說就是已被大多數專家接受的“燈塔模型”。

在由轉動供能的脈沖星中，電磁波束是由中子星的轉動能產生的，其中由強磁場的運動產生一個電場，在電場的作用下恒星表面上的質子和電子得到加速，并從磁極發出一個電磁波束。隨著時間的推移和電磁能量的發出，中子星的旋轉會逐漸地慢下來[7]。當一個中子星的旋轉速度足夠慢時，脈沖星的射電機制就被認為是關閉了。這種關閉似乎在1千萬年或1億年之后就會發生，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的中子星的觀點已被廣泛接受，但對于脈沖星的脈沖產生機制至今懸而未決。德國馬克斯地外物理研究所的Werner Becker 在2006年說過：盡管經過了近四十年的努力，關于脈沖星如何發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專家接受，但它遇到了如下幾個難以解答的問題：恒星收縮為中子星時為何能變成一塊磁鐵？磁鐵高速旋轉時，真的能從磁極發光嗎？所以這種假說仍然難以置信。事實上，燈塔模型是由地磁場的形成假說做簡單推廣得到的，而地核內有液態鐵，中子星是致密星，所以不能簡單地把地磁場的形成假說推廣為脈沖星磁場的形成假說。再說，現有的地磁場的形成原因至今不清楚，所以簡單地簡單地把地磁場的形成假說推廣為脈沖星磁場的形成假說缺乏堅實科學的基礎。

我們在研究一個星球的磁場時不能只看其內部結構，而應該更多地關注其外部環境，因為星球的電磁場主要由其外部大氣層中的帶電離子的運動產生的。比如，大家熟悉的地球擁有濃密的大氣層。由于地球自轉離心力的作用使其成長為赤道隆起、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，而萬有引力和距離的平方成反比。當地球快速自轉時，產生的強大離心力，使赤道和低緯度地區上空的云團容易脫離其旋轉軌道而向南極或北極移動。由于極地位置的萬有引力大于其他位置的萬有引力，因此當云團移到極地時容易被極地的萬有引力吸引住，吸入冷空氣后便凝結成厚重的云團而下沉。許多墜向極地的云團隨著地球的自轉便形成一股很強的圍繞極地旋轉的環流，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

地球有兩個渦旋結構，分別位于南極和北極，深度可跨越地球的對流層和平流層。這種渦旋結構常年存在，在冬季達到最大強度。太陽系中金星、火星、木星和土星也有渦旋現象，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是由美國美國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，這個巨大六邊形的每邊的邊長都在1.38萬公里，超過了地球的直徑；圖3也是美國宇航局通過哈勃太空望遠鏡捕捉到的木星北極渦旋中的螺旋電流。

我們已經知道，脈沖星就是快速旋轉的中子星，它是超新星爆發的產物。由于自轉離心力的作用，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，但其質量比太陽的質量大得多，比地球的質量大得更多，因此中子星周圍的星云厚度和密度分別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]。當中子星快速自轉時，其赤道附近或低緯度地區上空的云團在強大離心力的作用下容易脫離旋轉軌道而向兩極移動，在兩極上空受冷空氣影響，形成非常厚重的云團，這些云團在兩極強大引力的吸引下逐漸下沉，并隨著中子星的快速自轉而圍繞中子星極地旋轉，形成強大的極地渦旋。由于卷入極地渦旋的云團數量巨大且快速旋轉，容易發生劇烈的摩擦和猛烈的碰撞，從而可在渦旋中產生強大猛烈、持續不斷的雷電，如圖5所示。

由于卷入極地渦旋的云團源源不斷且以螺旋方式向下快速旋轉，因此可形成一系列近乎平行的厚實螺旋云路，這種下移的云路直接引導著帶負電的較重水滴向下流動，從而形成電子快速下移、導電性能極佳的電路。由于渦旋中的云團發生劇烈的摩擦和猛烈的碰撞，使渦旋中充滿了正離子和負離子。云中的水滴“優先”吸收大氣中的負離子，使水滴逐漸帶上了負電荷，因為帶負電的云滴比較重，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快速向下旋轉，容易發生猛烈的碰撞，釋放出大量的引力勢能并轉化成電能，因此，渦旋中任何時刻都有許多電場和雷暴在活動。每個雷暴好似一部靜電起電機，能產生負電荷并沿著云路將其送到渦旋底部，同時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，因此就產生了強大的偶極磁場，這種磁場的N極指向地理南極而磁場的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疊加在一起形成了脈沖星的磁場。在中子星的旋轉過程中，每當這樣一個渦旋指向地球時，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的中子星，而中子星是由超新星爆發的產物，它并非一成不變的。隨著星系的運行，中子星會不斷地吸收軌道附近的氣體、塵埃及其他星際物質，使自身質量逐漸增加，大氣層變厚，自轉速度逐漸降低。當其表面重新覆蓋上一層厚厚的物質，且其周圍大氣層又變得非常濃厚時，中子星表面的壓力和溫度就會變得足夠高以至重新啟動熱核反應，再次引起超新星爆發。結果會很快地地消耗積累起來的大氣層和表面物質，使中子星再次發生坍縮，星體大大縮小，自轉速度大大提高，重新獲得一個質量更大的中子星。由此可見，在脈沖星向大質量恒星演變的過程中，可能要經歷多次超新星爆發，每次超新星爆發都獲得一個質量更大的中子星[10，11，12，13]，當中子星的大氣層重新變厚時，便得到一個新的脈沖星，最終演變成一個黑洞。

4 從中子星的形成與演進到黑洞的吸積與噴流

根據前面的描述可知，太陽系中金星、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流層和平流層，但從天文望遠鏡和衛星拍攝的圖像來看，它們都酷似大質量恒星上的吸積盤，如圖1和圖2所示。另一方面，一些國際性研究團隊先后觀察到了黑洞吞噬一顆行星的全過程，結果驗證了已有的黑洞吸積盤理論：由于物質受到引力作用向中心天體落下形成的盤狀結構，當物質沿螺線落向黑洞時，強大的引力場使得物質摩擦并被加熱；黑洞的吸積盤熱得輻射出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，而中子星、黑洞和活動星系核上的吸積盤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射機理可以推廣到黑洞的吸積與噴流。

雖然現有的黑洞吸積盤理論基本上能解釋黑洞吸積盤的形成過程，但還不完善，未能清楚地揭示吸積盤的真真實結構和地理位置。該理論僅根據觀察映像斷定黑洞吸積盤是一種盤狀結構，而不知道其真實面貌是一種大尺度渦旋結構。該理論還錯誤地認為吸積盤是包圍中心天體并圍繞中心天體旋轉的盤狀結構，而不知道吸積盤是生于星體極地并圍繞星體自轉軸旋轉的大氣渦旋結構，而且在星體兩極有對應的一對大尺度漩渦。更糟的是現有的黑洞吸積盤理論未能揭示噴流的實質性機制[18，19，20]。

在中子星向大質量恒星演變的過程中，可能要經歷多次超新星爆發，每次超新星爆發都能獲得一個質量更大和轉速更快的中子星，最終演變成高速旋轉的黑洞。由于自轉離心力的作用，黑洞也逐漸演變成赤道隆起、兩極稍扁的球體，如圖4所示。由于黑洞的質量比行星的質量大得更多，因此黑洞周圍的星云厚度和密度分別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。當黑洞快速自轉時，其赤道附近或低緯度地區上空的云團在強大離心力的作用下容易脫離旋轉軌道而向兩極移動，在兩極上空受冷空氣影響，形成非常厚重的云團，這些云團在兩極強大引力的吸引下逐漸下沉，并隨著黑洞的快速自轉而圍繞黑洞極地旋轉，形成強大的極地渦旋。由于卷入極地渦旋的云團數量巨大且快速旋轉，容易發生劇烈的摩擦和猛烈的碰撞，從而可在渦旋中產生強大猛烈的雷電和噴流，如圖8所示。又因為大氣渦旋的形狀像圓錐形漏斗，這個漏斗底部有一個長長的圓柱，所以從這個圓柱產生的噴流將沿著圓錐中心軸線（即極軸）射出，形成一個宇宙火柱。

圖8 黑洞的吸積與噴流

5 結論

脈沖星的發現是20世紀60年代天文學的四大發現之一，為人類探索自然開辟了新的道路，而且對現代物理學的發展產生了深遠影響。盡管人們在發現脈沖星之后，很快就確認了脈沖星就是快速旋轉的中子星，但對于為何中子星能源源不斷地發出電磁波的問題卻一直懸而未決，拖延了將近半個世紀。因此本文作者重新分析了中子星的形態結構和外部大氣環境，找到了中子星源源不斷地發出電磁波的本質機制，提出了渦旋模型，并能很好地回答有關脈沖星本質特征的一系列重要問題，因此可謂是脈沖星研究的一次重大飛躍。另外，由于中子星、黑洞和活動星系核上的吸積盤就是大尺度氣體渦旋，因此中子星渦旋的形成機制和電磁脈沖發射機制可以推廣到黑洞的吸積與噴流。

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