第一章中子星的预言、发现和证认
§1.1中子星的预言和寻找
§1.2行星际闪烁观测和脉冲星的发现
§1.3脉冲星被证认为中子星
§1.4超新星、超新星遗迹和中子星
§1.5脉冲星类天体概览
第二章射电脉冲星的观测工具——射电天文望远镜
§2.1射电脉冲星信息的特点和射电望远镜的基本结构
§2.2射电望远镜的天线系统及性能参数
§2.3射电望远镜接收机
§2.4脉冲星观测常用的大型单天线射电望远镜简介
§2.5其他观测脉冲星的射电望远镜
第三章脉冲星观测消色散技术和巡天方法
§3.1脉冲星的脉冲宽度和星际介质色散
§3.2消色散技术
§3.3脉冲星的搜寻
第四章脉冲到达时间的观测和脉冲星的周期特性
§4.1脉冲到达时间的观测
§4.2脉冲到达时间观测资料的处理方法
§4.3磁偶极辐射模型和某些参数的确定
§4.4脉冲星周期的噪声
§4.5脉冲星周期跃变
第五章单个脉冲、漂移子脉冲和巨脉冲
§5.1单个脉冲、子脉冲和微脉冲
§5.2漂移子脉冲
§5.3巨脉冲
第六章零脉冲脉冲星、间歇脉冲星和自转射电暂现源
§6.1零脉冲
§6.2间歇脉冲星
§6.3新型天体:自转射电暂现源(RRAT)
第七章平均脉冲、辐射区结构和极冠几何模型
§7.1脉冲星的辐射特性
§7.2脉冲星辐射区的结构和平均脉冲的成分分离
§7.3磁极冠几何模型及其参数的估计
第八章磁层结构、粒子加速与辐射过程概述
§8.1观测对理论的限制
§8.2脉冲星静态磁层模型
§8.3几种可能的高能粒子加速过程
§8.4辐射过程概述
第九章脉冲星辐射机制和模型
§9.1辐射机制和辐射模型概述
§9.2射电辐射机制
§9.3γ射线辐射机制
§9.4讨论
第十章中子星与夸克星
§10.1历史评述
§10.2中子星的形成与热演化
§10.3中子星与夸克星模型
§10.4如何观测鉴别中子星和夸克星
第十一章毫秒脉冲星及其应用
§11.1毫秒脉冲星的发现和基本特性
§11.2从X射线脉冲星得到的启示
§11.3球状星团中的毫秒脉冲星
§11.4毫秒脉冲星的应用
§11.5展望
第十二章射电脉冲双星和广义相对论的验证
§12.1射电脉冲双星和轨道参数的确定
§12.2射电脉冲双中子星系统
§12.3其他射电脉冲星双星系统
§12.4射电脉冲双星的演化
第十三章X射线双星
§13.1X射线双星概述
§13.2X射线脉冲星的主要观测特征及一些简单分析
§13.3X射线脉冲星的理论研究
§13.4讨论
第十四章X射线脉冲单星
§14.1射电脉冲单星的X射线辐射
§14.2孤立X射线天体概述
§14.3反常X射线脉冲星和软γ射线重复暴
第十五章脉冲星——星际介质的探针
§15.1星际介质
§15.2星际介质的色散、电子密度和脉冲星距离的确定
§15.3脉冲星的空间分布
§15.4脉冲星作为银河系星际磁场的探针
§15.5星际闪烁和散射
第十六章脉冲星类天体研究进展与展望
§16.1脉冲星类天体新的观测表现
§16.2两倍太阳质量脉冲星的发现及其对物态的限制
§16.3展望
参考文献
20世纪70年代开始,天体物理学的成就被纳入诺贝尔物理学奖的授奖范围,迄今获奖的成果共十三项,其中脉冲星的观测成果占了两项.
脉冲星,在被发现四十多年之后仍吸引着众多天文学家的追求.这除了因为它本身的特异性质之外,还因为它在天文世界中结合面如此之广,以至于能够分别与不同学科在许多前沿领域上交叉,如
一、 在天体演化学上.
它被证认为中子星,这是20世纪天文学的一个里程碑式的成就.它启动了包括中子星、黑洞在内的致密天体的“强研究”.它把演化的线索延伸到了高能天体物理学领域.对它本身的探索带来了对天文观测能力和观测方法的挑战.
二、 在天体物理学与物理学上.
作为一种有着极其致密的内部结构、极强的表面磁场、非常高而稳定的自转速度,且偶尔会发生“星震”的恒星,它的动力学行为、辐射机制、与周围物质的相互作用等的研究,都为恒星物理学带来了新的拓展.
这些拓展要求结合相应的基础物理研究,研究结果用以帮助建立脉冲星的结构模型、动力学模型、辐射模型.针对性的天文观测既用以验证和开拓这些模型,也包含了对物理学结果的验证.
20世纪80年代初毫秒脉冲星的发现,使脉冲星的研究和“应用”登上了更高一层楼.脉冲双星作为一个新的搜索和研究的目标,不但联系到了毫秒脉冲星研究的孕育,而且成功地测定了引力辐射效应,并以此而著称.
三、 在时间计量和研究上.
毫秒脉冲星以它极其稳定的脉冲周期P(已包含极其稳定的周期变化率
P·的修正),可望用以监测(和修正)原子时的“长期频率稳定度”(一个时间基准的长期频率稳定度是它作为基准的基本特性之一).关键技术为精确测量脉冲星的“脉冲到达时刻”.这包括要求尽可能高的“信噪比”,并修正了已知的各种系统影响.目前“脉冲到达时刻”的测量精度约为0.1~1 μs,最高的测量精度达0.030 μs.当先后两次测量的时间间距以年计(例如三年)时,监测到的时标“长期频率稳定度”可达10-14~10-15.目前原子时的“长期频率稳定度”亦约为10-14~10-15,两者“可比”.目前周期测得最精确的脉冲星是毫秒脉冲星PSR J0437—4715,其周期为(0.005 757 451 831 072 007±0.000 000 000 000 000 008)s,周期长期稳定度已经超过原子时了.在这种稳定度极限上的误差除了来自各种测量的随机噪音外,主要来源为原子时的“长周期变化”,“脉冲星时”的内因和外因“长周期变化”,以及地球轨道运动的微小扰动等.
进行毫秒脉冲星“脉冲到达时间”的常规、持续、系统的多星测量相当于产
生一种“脉冲星时”,而用以实施这种测量的设备,就其功能而言,可以称为“脉冲星时”与计时观测参考的原子时的比对设备.当前,建立和不断改善“脉冲星时”的努力正处在某些“学科交叉点”上:(1) 时间计量学前沿上的交叉.引进“脉冲星时”,以达到与“原子时”同时发展、交叉比对的新格局.(2) 脉冲星物理研究前沿上的交叉.通过长时间监测脉冲星时间特性的变化(特别是“长周期变化”),用以深入内在物理.(3) 宇宙学前沿上的交叉.通过测量“脉冲星时”的长周期(年、十年)变化,用以探测宇宙极早期引力事件(导致引力波背景,其周期为年、十年级).这三者均以“脉冲星钟”的建立和精确测量为基本手段.这就是说,在当前科学进展的前沿上,“脉冲星钟”的建立将有望做到“一箭三雕”.
四、 周期高度稳定的脉冲作为一种探测手段.
脉冲星的周期脉冲可以看作加在它发射的电波上的调制信号,提供了周期性的时间信息.凡是能够影响电波到达时间的外在因素,都可以反过来看作可以通过“脉冲到达时刻”的测量加以探测的因素:
(1) 脉冲星电波传播经过星际介质,介质的色散可从不同频率的“脉冲到达时刻”的先后来测出,从而可以建立介质的物理模型,或通过已知的模型估计辐射源(脉冲星)的距离.
(2) 地球在太阳系空间中的运动,使“脉冲到达时刻”(相对于原子时)有着周年期起伏.反过来,通过测量“脉冲到达时刻”可以发现地球位置对计算位置的偏差,从而探究其起因.
(3) 宇宙原初引力波的探测前已述及.银河系内引力事件及河外星系引力事件(如
致密体双星并合等)产生的引力波经过地球时同样可以通过“脉冲到达时刻”的测量来发现.
除了“脉冲到达时刻”的应用外,备受瞩目的还有通过测量不同频率的脉冲星辐
射的闪烁来探测星际介质的尺度和相对于星体的切向速度的应用等.
当前,我国脉冲星的研究有了很大的发展,已有一支分布在高校和中科院的从事脉冲星研究的队伍.新疆天文台率先于20世纪90年代建成我国第一个脉冲星观测基地,今天又有云南天文台的40 m射电望远镜、上海天文台的65 m射电望远镜进行脉冲星的观测研究.正在建设的新疆110 m射电望远镜和刚刚建成的贵州500 m口径射电望远镜(FAST)具有非常强的观测脉冲星的能力,将会使我国的脉冲星观测研究进入世界先进行列.
《脉冲星物理》一书的出版,将会推动我国脉冲星研究的发展和人才
的培养.全书的构思和具体的结构内容,在“目录”和作者的前言里,已经有了清楚的说明,这里不再赘述.也许可以多说一句的是,作者们长期从事脉冲星的研究和教学,使他们对脉冲星的观测和理论有深刻的理解.书中的内容包括了国内外脉冲星研究的成果,丰富、全面和深入.我特别高兴地看到,书中有不少中国学者,包括作者和他们的合作者的研究成果,中国脉冲星研究已经进入了国际行列.
中国科学院院士王绶琯
2017年10月
本书是由我国脉冲星领域资深专家写就,内容非常丰富,基本涵盖了脉冲星研究的历史和现状。本书图文并茂,讲解深入浅出,非常适合初学者学习。同时本书知识全面系统,也是天体物理领域科研工作者很好的参考
吴鑫基,著名天体物理学家,国家天文台射电天文重点实验室学术委员会委员。乔国俊,北京大学天文系博士生导师,教授。徐仁新,北京大学物理学院教授。
本书系统阐述了脉冲星的基本知识,全书共分十六章. 在第一章概括性地介绍与脉冲星和中子星研究相关的历史和背景之后,本书依次介绍射电望远镜(第二章)、脉冲星探测技术(第三章)、脉冲到达时间特性(第四章)、单个脉冲的观测特征(第五、六章)平均脉冲的观测特性及唯象描述(第七章)、磁层中粒子的加速与辐射过程(第八、九章)等内容. 本书第十章讨论了脉冲星内部物质构成. 它与脉冲星的辐射有关,并涉及强相互作用的低能行为. 本书第十一章至第十五章内容包括毫秒脉冲星及其应用(第十一章)、射电脉冲双星和引力理论检验(第十二章)、恒星演化与X射线脉冲星(第十三、十四章)、星际介质探针(第十五章)等。最后,本书展望了脉冲星研究的未来(第十六章)。
本书是天文和物理专业高年级本科生、研究生较全面地了解脉冲星物理的教材。本书内容丰富并反映前沿热点,也适合科研工作者进一步深入研究时参考。