魔爪文学

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第24章 PSR J1748－2446ad（第1页）

pSRJ1748-2446ad（中子星）

·描述：已知自转最快的脉冲星

·身份：位于人马座球状星团terzan5中的毫秒脉冲星，距离地球约18，000光年

·关键事实：每秒自转716次，比家用搅拌机转速还快，其表面赤道速度高达光速的24%。

pSRJ1748-2446ad：宇宙中最狂飙的“旋转灯塔”（第一篇）

引言：当宇宙的“钟摆”快到突破想象

在银河系的深处，有一座由百万颗年老恒星组成的“宇宙堡垒”——人马座球状星团terzan5。这里没有新生恒星的璀璨光芒，没有超新星爆发的剧烈闪光，却藏着宇宙中最极致的“旋转奇迹”：一颗每秒自转716次的脉冲星，其赤道表面的速度高达光速的24%，比家用搅拌机的叶片转速快100倍，比地球自转快上千万倍。

它叫pSRJ1748-2446ad，人类已知自转最快的天体，一颗把“角动量”玩到极致的中子星。当我们用射电望远镜捕捉到它那每秒716次的脉冲信号时，我们听到的不是普通的“宇宙滴答”，而是极端物理条件下物质与引力的终极博弈——一颗直径仅20公里的天体，如何在旋转中抗拒解体，如何在亿万年的时光里保持如此疯狂的自转？

这篇文章将带你走进pSRJ1748-2446ad的世界：从脉冲星的基本逻辑讲起，到它在terzan5星团中的诞生，再到它挑战人类对中子星物态、引力与时间的认知。这不是一次对“快速旋转天体”的简单介绍，而是一场对“宇宙极端环境”的深度探访——我们会发现，这颗“最快脉冲星”的秘密，藏着理解中子星、球状星团乃至宇宙演化的钥匙。

一、从“灯塔效应”到“毫秒脉冲星”：脉冲星的底层逻辑

要理解pSRJ1748-2446ad，必须先回到脉冲星的本质——宇宙中的“旋转灯塔”。

1.1脉冲星的诞生：超新星的“遗产”

1932年，苏联物理学家列夫·朗道（LevLandau）预言宇宙中存在一种“致密星体”：质量与太阳相当，体积极小（类似城市大小），密度高达每立方厘米1亿吨——这就是后来被称为“中子星”的天体。1967年，剑桥大学的乔斯林·贝尔（Jobell）和安东尼·休伊什（Antonyhewish）首次观测到脉冲星：一种发出周期性射电脉冲的天体，周期短至几毫秒，长至几秒。

脉冲星的本质是中子星，其“脉冲”来自磁轴与自转轴的错位：中子星拥有极强的磁场（通常是太阳的10^12倍），磁场线像“灯塔的光束”一样沿着磁轴方向发射同步辐射或曲率辐射。当中子星自转时，这些辐射束会周期性地扫过地球，就像灯塔的光每隔一段时间照亮海面——我们观测到的“脉冲”，其实是中子星磁轴旋转的“投影”。

1.2毫秒脉冲星：“被回收”的慢转星

并非所有脉冲星都像pSRJ1748-2446ad这么快。年轻脉冲星（如蟹状星云脉冲星，诞生于1054年超新星爆发）的自转周期通常在0.01到10秒之间，磁场极强（10^12高斯）。但随着时间推移，脉冲星会通过“磁偶极辐射”损失角动量，自转逐渐减慢——就像旋转的陀螺慢慢停下来。

但有一类脉冲星例外：毫秒脉冲星（millisedpulsar，mSp），它们的自转周期短至几毫秒（千分之一秒），磁场却弱得多（10^8到10^10高斯）。这些“快转星”的秘密在于“回收”过程：它们原本是缓慢旋转的老年脉冲星，后来捕获了一颗伴星（通常是白矮星或中子星），通过吸积伴星的物质获得角动量，自转被“加速”到毫秒级。

球状星团是毫秒脉冲星的“温床”。这些由百万颗年老恒星组成的密集星团中，恒星之间的距离很近（有时只有几光天），潮汐力容易将伴星撕裂并捕获。据估计，terzan5星团中藏着超过200颗毫秒脉冲星——而pSRJ1748-2446ad，是其中“转得最快的一个”。

二、terzan5：孕育“最快脉冲星”的宇宙堡垒

要理解pSRJ1748-2446ad的诞生，必须先走进它的“家”——人马座球状星团terzan5。

2.1球状星团的“年老与密集”

球状星团是银河系中最古老的天体之一，形成于宇宙早期（约120亿年前）。它们由引力束缚的大量恒星组成，形状接近球形，直径从几十到几百光年不等。terzan5位于人马座，距离地球约光年，是银河系内质量最大的球状星团之一——包含约100万颗恒星，总质量约为太阳的100万倍。

与其他球状星团不同，terzan5的“金属丰度”很高（即重元素含量高）。这说明它可能经历过多次恒星形成事件：早期的恒星死亡后，抛出的重元素被后续恒星吸

;收，形成了富含金属的星际介质。这种“富金属”环境，为毫秒脉冲星的形成提供了有利条件——伴星的物质中含有更多重元素，吸积时能更有效地传递角动量。

2.2terzan5中的“脉冲星工厂”

20世纪90年代，天文学家开始用射电望远镜观测terzan5，发现了大量毫秒脉冲星。这些脉冲星的共同特征是：自转快、磁场弱、伴星多为白矮星。它们的“回收”过程大致如下：

1.初始阶段：一颗中子星（年轻脉冲星）与一颗伴星（通常是主序星或红巨星）组成双星系统。

2.伴星膨胀：伴星演化到晚期，外层大气膨胀到中子星的洛希瓣（引力边界）之外。

3.吸积开始：中子星通过潮汐力撕裂伴星的外层，物质形成吸积盘，螺旋落到中子星表面。

4.角动量转移：吸积的物质带着角动量撞击中子星表面，使其自转加速——从每秒几次，到每秒几百次，最终成为毫秒脉冲星。

5.伴星死亡：伴星最终演化成白矮星，留在系统中，成为脉冲星的“遗迹”。

pSRJ1748-2446ad很可能经历了这样的过程。它的伴星是一颗白矮星，质量约为0.3倍太阳质量，正围绕它运行，轨道周期约为2.6天。吸积过程的残留物质，至今仍在为中子星提供微小的角动量，维持其疯狂的自转。

三、716次秒：突破物理极限的“旋转速度”

pSRJ1748-2446ad的核心秘密，在于它每秒716次的自转速度——这是人类已知的天体自转极限之一。要理解这个速度的意义，我们需要从“角动量”和“引力”两个维度展开。

3.1自转速度的计算：从周期到赤道速度

脉冲星的自转周期（p）是衡量其旋转速度的关键参数。pSRJ1748-2446ad的周期p=1716≈1.396毫秒（千分之一点四秒），是目前已知最短的脉冲星周期之一。

要计算它的赤道表面速度（v），我们需要知道它的半径（R）。中子星的半径通常在10到15公里之间（由物态方程决定）。假设R=10公里（10^4米），则赤道周长为2πR≈6.28x10^4米。自转速度v=周长周期≈6.28x10^41.396x10^-3≈4.5x10^7米秒≈0.15c（光速的15%）。但如果半径更小（比如R=7公里），v≈2.4x10^71.396x10^-3≈6.7x10^7米秒≈0.22c（光速的22%）——接近用户提到的“24%c”（不同观测对半径的估计略有差异）。

这个速度有多快？对比一下：家用搅拌机的叶片转速约为每分钟3000到转，即每秒50到167转；地球赤道表面的自转速度约为465米秒（0.0015%光速）；即使是脉冲星中最快的“竞争者”（如pSRJ1939+2134，周期1.557毫秒），速度也只有约0.1c。pSRJ1748-2446ad的速度，相当于把地球的自转变快100万倍，把搅拌机的叶片转速提高1000倍。

3.2抗拒解体的“临界点”：离心力与引力的平衡

如此快的自转，会不会让中子星解体？答案是：刚好没到临界点。

中子星的引力由质量决定（m≈1.4倍太阳质量），离心力由自转速度决定。当离心力超过引力时，星体就会分崩离析。对于pSRJ1748-2446ad来说，其赤道表面的离心加速度（a_c=v2R）约为6.7x10^7^27x10^3≈6.4x10^11米秒2，而引力加速度（a_g=GmR2）约为6.67x10^-11x1.4x2x10^307x10^3^2≈3.9x10^12米秒2。引力加速度是离心加速度的6倍——这意味着，中子星的表面物质仍被引力牢牢束缚，没有解体。

但这也意味着，pSRJ1748-2446ad已经接近“解体极限”。如果它的自转再快10%，离心加速度将与引力相等，星体就会开始瓦解。这种“极限状态”，让我们有机会研究中子星的内部物态——只有当引力刚好压制离心力时，物态方程的参数（如密度、压力）才会被“挤压”到极致。

四、观测挑战：捕捉“1.4毫秒的脉冲”

观测pSRJ1748-2446ad并非易事。它的周期太短（1.4毫秒），需要望远镜具备极高的时间分辨率和灵敏度。

4.1发现之旅：从“疑似信号”到“确认”

2005年，一个由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（cSIRo）、美国国家射电天文台（NRAo）和欧洲南方天文台（ESo）组成的国际团队，利用帕克斯射电望远镜（parkestelescope）的“多波束接收机”对terzan5进行深度观测。帕克斯望远镜

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