加速——從每秒幾次,到每秒幾百次,最終成為毫秒脈衝星。
5.伴星死亡:伴星最終演化成白矮星,留在係統中,成為脈衝星的“遺跡”。
PSRJ1748-2446ad很可能經曆了這樣的過程。它的伴星是一顆白矮星,質量約為0.3倍太陽質量,正圍繞它運行,軌道周期約為2.6天。吸積過程的殘留物質,至今仍在為中子星提供微小的角動量,維持其瘋狂的自轉。
三、716次\/秒:突破物理極限的“旋轉速度”
PSRJ1748-2446ad的核心秘密,在於它每秒716次的自轉速度——這是人類已知的天體自轉極限之一。要理解這個速度的意義,我們需要從“角動量”和“引力”兩個維度展開。
3.1自轉速度的計算:從周期到赤道速度
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脈衝星的自轉周期(P)是衡量其旋轉速度的關鍵參數。PSRJ1748-2446ad的周期P=1\/716≈1.396毫秒(千分之一點四秒),是目前已知最短的脈衝星周期之一。
要計算它的赤道表麵速度(v),我們需要知道它的半徑(R)。中子星的半徑通常在10到15公裡之間(由物態方程決定)。假設R=10公裡(10^4米),則赤道周長為2πR≈6.28×10^4米。自轉速度v=周長\/周期≈6.28×10^4\/(1.396×10^-3)≈4.5×10^7米\/秒≈0.15c(光速的15%)。但如果半徑更小(比如R=7公裡),v≈2.4×10^7\/(1.396×10^-3)≈6.7×10^7米\/秒≈0.22c(光速的22%)——接近用戶提到的“24%c”(不同觀測對半徑的估計略有差異)。
這個速度有多快?對比一下:家用攪拌機的葉片轉速約為每分鐘3000到轉,即每秒50到167轉;地球赤道表麵的自轉速度約為465米\/秒(0.0015%光速);即使是脈衝星中最快的“競爭者”(如PSRJ1939+2134,周期1.557毫秒),速度也隻有約0.1c。PSRJ1748-2446ad的速度,相當於把地球的自轉變快100萬倍,把攪拌機的葉片轉速提高1000倍。
3.2抗拒解體的“臨界點”:離心力與引力的平衡
如此快的自轉,會不會讓中子星解體?答案是:剛好沒到臨界點。
中子星的引力由質量決定(M≈1.4倍太陽質量),離心力由自轉速度決定。當離心力超過引力時,星體就會分崩離析。對於PSRJ1748-2446ad來說,其赤道表麵的離心加速度(a_c=v2\/R)約為(6.7×10^7)^2\/7×10^3≈6.4×10^11米\/秒2,而引力加速度(a_g=GM\/R2)約為6.67×10^-11×1.4×2×10^30\/(7×10^3)^2≈3.9×10^12米\/秒2。引力加速度是離心加速度的6倍——這意味著,中子星的表麵物質仍被引力牢牢束縛,沒有解體。
但這也意味著,PSRJ1748-2446ad已經接近“解體極限”。如果它的自轉再快10%,離心加速度將與引力相等,星體就會開始瓦解。這種“極限狀態”,讓我們有機會研究中子星的內部物態——隻有當引力剛好壓製離心力時,物態方程的參數(如密度、壓力)才會被“擠壓”到極致。
四、觀測挑戰:捕捉“1.4毫秒的脈衝”
觀測PSRJ1748-2446ad並非易事。它的周期太短(1.4毫秒),需要望遠鏡具備極高的時間分辨率和靈敏度。
4.1發現之旅:從“疑似信號”到“確認”
2005年,一個由澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)、美國國家射電天文台(NRAO)和歐洲南方天文台(ESO)組成的國際團隊,利用帕克斯射電望遠鏡(ParkesTelescope)的“多波束接收機”對Terzan5進行深度觀測。帕克斯望遠鏡的多波束接收機可以同時觀測13個方向,靈敏度極高,適合尋找球狀星團中的毫秒脈衝星。
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