凶残的黑寡妇脉冲星
說到“黑寡婦”你會想到什么？是能分泌致命神經(jīng)毒素的恐怖蜘蛛，還是漫威里風(fēng)情萬種的寡姐？如果你要問一名天體物理學(xué)家，那么他可能會給你一個(gè)不一樣的答案 —— 一類特殊的脈沖星。為什么要給天體起一個(gè)蜘蛛的名字？難道它們之間有什么相似之處嗎？
我們知道，作為恒星在演化末期剩下的殘骸，脈沖星是一種高度磁化的致密星，密度非常高。它們本質(zhì)上可能是一顆地球大小的白矮星，但更可能是一顆只有城市大小的中子星。
中子星這個(gè)名字經(jīng)常讓人誤以為它完全是由不帶電的中子構(gòu)成的，其實(shí)不然。中子星的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，甚至于迄今為止我們也沒有完全搞清楚它的組成。不過種種跡象表明，構(gòu)成它的部分物質(zhì)仍然存在帶電粒子。
帶電，而且自身在旋轉(zhuǎn)，再加上本身的高密度，因此中子星不但有磁場，磁場通常還非常強(qiáng)。于是很多中子星的磁極會向外發(fā)出電磁輻射束，當(dāng)輻射束和自轉(zhuǎn)軸存在夾角且輻射束可以掃過地球時(shí)，我們便能觀察到它周期性的脈沖信號，因此人們稱其為“脈沖星”。
通常來說，成為一顆脈沖星意味著恒星已經(jīng)走完了它絢麗的一生。它內(nèi)部的物質(zhì)已經(jīng)沒有了正常的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，處于的是一種由泡利不相容原理支配的極端量子態(tài) —— 簡并態(tài)。這種狀態(tài)的物質(zhì)就像《三體》里“水滴”外殼的材料，已經(jīng)完全固化鎖死，不會再有任何核反應(yīng)發(fā)生。所以對于恒星來說，這就相當(dāng)于它的內(nèi)部器官已經(jīng)徹底衰竭，等待它的是徹底的涼涼。沒錯(cuò)，就是物理上的涼涼 —— 徹底冷卻。
宇宙中的恒星都會這樣孤獨(dú)終老嗎？其實(shí)像我們太陽這種“單身狗”在宇宙中可能并不是主流，很多恒星人家都是成雙結(jié)對出現(xiàn)的，也就是雙星系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的中子星，它們往往會在自己徹底涼涼之前，憑借自身強(qiáng)大的潮汐力把伴星給撕碎，然后通過吸取對方身上物質(zhì)的方式來為自己“續(xù)命”，這被稱為“吸積過程”。
在吸積過程中，物質(zhì)落入中子星時(shí)會向外輻射 X 射線，它標(biāo)志著中子星仍然“氣息尚存”。吞噬伴星的物質(zhì)不但使得中子星得以續(xù)命，同時(shí)它還因此獲得了落入物質(zhì)帶來的角動量，也就自身的轉(zhuǎn)速會在這個(gè)過程中逐步提高，直至成為一顆自轉(zhuǎn)周期僅有幾毫秒的毫秒脈沖星。
這種毫秒脈沖星除了有著周期性的電磁輻射外，還會產(chǎn)生類似太陽風(fēng)那樣的高能粒子風(fēng)。此時(shí)，它的伴星如果離的不遠(yuǎn)，完了再恰巧是一顆質(zhì)量不大的“小家伙”的話，那么這些輻射和粒子風(fēng)將會對這顆伴星產(chǎn)生毀滅性打擊。
1988 年，天文學(xué)家通過阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，在距離地球 6500 光年的位置發(fā)現(xiàn)了一顆詭異的毫秒脈沖星（PSR B1957+20）。
不同于往常的脈沖星信號，這顆脈沖星的信號會時(shí)不時(shí)地減弱甚至消失。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，信號減弱的原因是伴星運(yùn)動到了脈沖星的前方把輻射束遮擋住了，類似日食的原理，因此人們稱其為“掩食脈沖星”。
伴星遮擋了輻射束，這意味著這顆恒星正在承受著脈沖星強(qiáng)大的電磁輻射。本來自己的物質(zhì)都在被一點(diǎn)點(diǎn)吸走，每天還要經(jīng)受電磁輻射的洗禮，此外高能的粒子風(fēng)還在玩命地往身上吹，在這多重打擊之下，這顆伴星已經(jīng)選擇徹底躺平，任憑剝離其表面物質(zhì)。
這種一邊吸取伴星物質(zhì)還一邊對其進(jìn)行瘋狂揉虐的行為，十分類似黑寡婦蜘蛛會肢解與它們交配后的伴侶的這個(gè)習(xí)性，于是“黑寡婦脈沖星”這個(gè)名字便由此而來。
黑寡婦脈沖星看起來這么兇，其中一個(gè)原因也在于它的對手十分弱小。它的伴星質(zhì)量還不到太陽的 1/20，通常是些褐矮星或者是超級木星。不過此后天文學(xué)家在一些掩食脈沖星周圍，又發(fā)現(xiàn)了更大的伴星。它們至少有 1/10 太陽質(zhì)量，有些甚至可以達(dá)到半個(gè)太陽。如果黑寡婦的伴星由于質(zhì)量小，還不能被算作標(biāo)準(zhǔn)恒星的話，這個(gè)體量的伴星絕對夠得上紅矮星的標(biāo)準(zhǔn)了。由于紅矮星本身也會產(chǎn)生高能粒子風(fēng)，這就使得它可以和脈沖星的粒子風(fēng)叫一叫板。憑借著自己的噸位，它似乎有了一些反抗脈沖星的底氣。
然而面對這類大個(gè)子伴星，脈沖星的動作雖然稍顯吃力，但就兇殘程度而言可謂有過之而無不及。因此，天文學(xué)家把這種有著大個(gè)子伴星的掩食脈沖星起名為“紅背脈沖星”。沒錯(cuò)，紅背蜘蛛是一種比黑寡婦更毒、也喜歡吃掉伴侶的蜘蛛，通常也叫做赤背寡婦蛛。
無論是“黑寡婦”還是“紅背”，人們把這種吞噬并摧毀伴星的脈沖星統(tǒng)稱為“蜘蛛脈沖星”。目前已發(fā)現(xiàn)的蜘蛛脈沖星已經(jīng)超過了 90 顆，其中有將近一半的蜘蛛脈沖星都位于球狀星團(tuán)中。比如 2023 年，天文學(xué)家在距離我們 17000 光年的球狀星團(tuán) NGC 5139 中，就新發(fā)現(xiàn)了 5 顆蜘蛛脈沖星。
為什么球狀星團(tuán)中更容易發(fā)現(xiàn)蜘蛛脈沖星呢？一個(gè)是這里的恒星更加密集，一個(gè)是這里的恒星更加古老。“密集”意味著恒星之間更容易產(chǎn)生“摩擦”，而“古老”意味著有更多的恒星走到了生命的盡頭成為了脈沖星。
那么，隨著時(shí)間的推移，那些長期遭受脈沖星摧殘的伴星會有怎樣的結(jié)局？它們是否會被吸干榨凈最終灰飛煙滅呢？
根據(jù)以往對黑寡婦脈沖星的研究，它們的伴星如果要被徹底摧毀，通常需要相當(dāng)長的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間甚至?xí)^當(dāng)前宇宙的年齡。然而事實(shí)上，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾百顆孤立的毫秒脈沖星，大約占到了毫秒脈沖星總數(shù)的 1/3。雖然這里面不排除有些是母胎 Solo，但是這顯然不能解釋高達(dá) 1/3 占比的這個(gè)情況。
2022 年，中國科學(xué)院云南天文臺的研究人員提出了一種黑寡婦脈沖星模型。在這個(gè)模型中，脈沖星通過釋放伽馬射線和高能粒子，可以使其伴星在較短時(shí)間內(nèi)變得骨瘦如柴，也就是降低到一個(gè)極低的質(zhì)量。有多低呢？低到甚至不如天王星、海王星這些行星。之后，這些骨瘦如柴的伴星（應(yīng)該不能叫伴星，這完全已經(jīng)是行星了）它們會被脈沖星的潮汐力直接撕碎，從此在宇宙中徹底灰飛煙滅。此后，黑寡婦脈沖星就會變成一個(gè)孤立的毫秒脈沖星。
作為孤家寡人，這些脈沖星的未來又會怎樣呢？
對于紅背脈沖星來說，自從它把伴星從一顆紅矮星逐步剝離成褐矮星后，它也從紅背脈沖星變成了一顆黑寡婦脈沖星（伴星變小了嘛）。等到把伴星徹底摧毀后，它就會成為一顆孤立的脈沖星。之后，隨著時(shí)間的流逝脈沖星將會逐漸冷卻，同時(shí)自轉(zhuǎn)也會變慢。等到徹底越過所謂的“死亡線”后，脈沖星將無法繼續(xù)產(chǎn)生高能射線。此后，它將僅作為一顆普通的中子星逐漸耗盡自身的能量，直到迎來最終死亡的那一天。
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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