隨著發(fā)現(xiàn)希格斯波色子的消息傳出，人造粒子加速器便成了最近各媒體爭相報道的頭版頭條。不過，天文學家知道還有能量更強大的加速器正在宇宙的某處潛伏著。美國宇航局（NASA）的費米伽馬射線空間望遠鏡可以捕捉到經(jīng)宇宙加速器加速的粒子釋放出的高能射線。在我們的銀河系中，自旋的中子星（即脈沖星）是最知名的高能射線發(fā)射源。超大質(zhì)量的黑洞在吸積周圍物質(zhì)時會產(chǎn)生噴流，如果其噴出方向正對著我們（觀測者），就成為一種明亮的伽馬射線源（耀變天體），并且是銀河系外最常見的高能射線源。
最神秘的要數(shù)一群既不屬于前者，也不屬于后者的明亮伽馬射線源。為了解開它們的秘密，天文學家提出了從遙遠星系到近鄰暗物質(zhì)團塊湮滅等等好幾種模型，可還是未能給出讓人信服的解釋。
好在最近的幾項研究結(jié)果為解密工作提供了不少助力。這些研究發(fā)現(xiàn)，有幾個神秘的伽馬射線源實際上是一種特殊類型的中子星 — 正在蒸發(fā)其伴星物質(zhì)的“黑寡婦脈沖星”。令人驚訝的是這個發(fā)現(xiàn)并非歸功于高能空間望遠鏡，盡管它的本職工作就是觀測這些源。反倒是天文學家用地面望遠鏡觀測被蒸發(fā)的伴星時獲知了源的秘密。其實，伴星被加熱、蒸發(fā)的過程不僅可以被看到，還非常引人入勝。在一些情況下，即使是用業(yè)余級別的探測器也能感受到這些宇宙加速器的致命殺傷力。
非同尋常的脈沖星：與其它毫秒脈沖星一樣，黑寡婦也是每秒鐘自轉(zhuǎn)達到幾百次的中子星。不同的是它是靠偷取伴星的物質(zhì)來維持如此快的自轉(zhuǎn)的。它發(fā)出的高速粒子風猛烈摧殘、侵蝕著伴星，導致其最終剩余的質(zhì)量僅為太陽質(zhì)量的百分之幾。這兩顆星挨得非常近：相距僅0.01個天文單位，或者說它們的間距不足水星到太陽的距離的三十分之一。（圖片提供：Casey Reed）
死而復生當一顆大質(zhì)量恒星爆炸形成超新星后，它的核在引力作用下塌縮成一個直徑只有30公里、密度卻比水的密度高了百萬億倍（10的14次方）的中子星。通常，這個致密核身處超強磁場中，以小于0.1秒的周期快速自轉(zhuǎn)著。在外部磁場和星體自轉(zhuǎn)的共同作用下，帶電粒子在磁極上方的粒子加速區(qū)里被加速至接近光速。當這些高速粒子穿過磁場時，其中的一小部分能量轉(zhuǎn)換成輻射光束，余下的部分便以相對論性高速粒子風的形式逸出。
當輻射光束隨著中子星的旋轉(zhuǎn)掃過地球的時候，我們便可以探測到它（近半個世紀以前，我們就已經(jīng)觀測到這種輻射光束了）。它們通常表現(xiàn)為短暫的射電信號閃光，就像恒星燈塔發(fā)出的一閃一閃的光束一樣（見下圖）。絕大多數(shù)脈沖星都是在射電觀測中被發(fā)現(xiàn)的。盡管如此，對于能量非常強的脈沖星來說，它不僅能發(fā)出覆蓋整個電磁波波段的輻射，還能產(chǎn)生非常強的伽馬射線脈沖信號。如果說脈沖星的輻射光束宣告了能量強勁的宇宙粒子加速器的存在，那么伽馬射線標示出的則是所有加速器中能量最強者。
恒星燈塔示意圖：脈沖星是繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的中子星。它的輻射光束沿磁極的方向射出。由于磁軸與自轉(zhuǎn)軸的方向并不相同，隨著中子星的自轉(zhuǎn)，輻射光束交替地進入和離開我們（觀測者）的視線，形成短暫、有規(guī)律的光閃。（圖片提供：S&T雜志 LEAHTISCIONE）
當然，能量不是取之不盡用之不竭的。隨著時間的流逝，脈沖星的自轉(zhuǎn)會越來越慢，加速器的功力也隨之減弱。在頭一千年里，相對論性高速粒子風可以持續(xù)給一個如蟹狀星云（M1）那樣的明亮星云提供能量。伽馬射線輻射束可以在一百萬年的時間里保持活力?？墒窃龠^一千萬年甚至一億年，連能量不高卻比較容易被探測到的射電脈沖信號也逐漸衰弱下去。這時的中子星正不可避免地一步步走向死亡，像快燃盡的煤渣一樣，漸漸歸于冷寂。
不過，有些脈沖星卻能獲得第二次生命。如果這顆脈沖星正好是一個雙星系統(tǒng)的成員，它的伴星經(jīng)過幾百萬年或幾十億年的演化，也許能為這顆已經(jīng)喪失活力很久的中子星提供燃料。這些燃料可以使它恢復幾毫秒周期的自轉(zhuǎn)，從而重新啟動粒子加速器并且重新發(fā)出輻射光束。
1982年Don Backer（來自加利福尼亞大學伯克利分校）和他的同事發(fā)現(xiàn)了一個周期為1.6毫秒的射電脈沖信號源。消息一傳出便震動了整個高能天體物理界。因為這個源的自轉(zhuǎn)速度比蟹狀星云脈沖星快了20倍（后者是當時已知旋轉(zhuǎn)最快的脈沖星）。不僅如此，它也沒有近期發(fā)生過超新星爆發(fā)的跡象。天文學家對此百思不得其解：它從哪里得到那么多能量去維持它那孤獨卻又精彩的旋轉(zhuǎn)（每秒鐘旋轉(zhuǎn)642次）？它一定是通過某種途經(jīng)重獲新生。但是，那個為它的快速自轉(zhuǎn)提供能量，讓它重現(xiàn)生機的伴星在哪里？
黑寡婦的胃口Andrew Fruchter和他的同事（他們當時都任職于普林斯頓大學）在1988年發(fā)現(xiàn)的脈沖星PSR B1957+20（即J1957）為這個難題給出了一種可能的解答。這顆毫秒脈沖星與一顆質(zhì)量非常小的恒星相互繞轉(zhuǎn)構(gòu)成雙星系統(tǒng)。其繞轉(zhuǎn)軌道周期只有9.2小時。引人注目的是，高能量的脈沖星粒子風似乎正在加熱、蒸發(fā)著那顆伴星，不斷把伴星的物質(zhì)從星體表面剝離出去，使它的質(zhì)量降低到亞恒星的質(zhì)量范圍（詳情見本雜志1995年7月刊第13頁）。這顆精力旺盛的脈沖星對把它從死亡邊緣拯救回來的伴星毫無感恩之心，冷血無情地侵蝕著它。天文學家給這類脈沖星起了個外號叫黑寡婦（此名原指一種雌性蜘蛛。因其常在交配后吃掉雄性配偶而得此惡名。）
這顆黑寡婦和1982年發(fā)現(xiàn)的脈沖星都是通過探測它們發(fā)出的射電脈沖信號而被發(fā)現(xiàn)的。這一點并不奇怪。因為射電望遠鏡是異常靈敏的儀器，在脈沖星巡天搜尋中非常有用。不過，從伴星蒸發(fā)出的致密離子氣流會散射或者吸收射電信號。事實也的確如此。J1957在射電波段發(fā)生了掩食現(xiàn)象。這是由于當伴星正好位于觀測者和它之間時，它的射電信號在穿過伴星的物質(zhì)風過程中被吸收或者減弱所造成的。出于同樣的原因，黑寡婦有可能會藏身于它們在劫難逃的伴星揮發(fā)出的氣流中而無法被探測到。
噴砂效應： 脈沖星的高速粒子風會逐漸侵蝕伴星， 撕裂它的外表層（紅色和橙色部分）， 加熱其受光面（白色和藍色部分）。（從左上到右下：在第三和第四幅圖中伴星的受光面被放大以顯示更多細節(jié)。）當雙星互相繞轉(zhuǎn)，伴星交替呈現(xiàn)其受光面和背光面，使它看上去也交替地變亮和變暗。（圖片提供：Cruz Dewilde/ NASA Goddard Space Flight Center）
揭開害羞的黑寡婦的面紗自從發(fā)現(xiàn)J1957以來的二十五年里，天文學家在銀河的銀道面區(qū)域只找到兩個黑寡婦系統(tǒng)。雖然我們在球狀星團里找到了更多，可是由于星團距離過遠而且比較致密，我們難以對其進行仔細研究。
2008年發(fā)射的費米伽瑪射線空間望遠鏡改變了這一切。黑寡婦，還有其他能量極強的毫秒脈沖星，旋轉(zhuǎn)得如此快，以至于它們的粒子加速器能夠產(chǎn)生伽馬射線，從而被費米望遠鏡探測到。接著，再用射電望遠鏡到這些伽馬射線源所在的位置去尋找射電脈沖信號。這種做法使脈沖星的搜尋工作變得非常富有成效。有時候，借助龐大的計算機來測試許多可能的脈沖周期，我們甚至無需射電觀測，僅憑探測到的伽馬射線就能發(fā)現(xiàn)脈沖星。到目前為止，我們在鄰近區(qū)域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了120多顆能量強勁的脈沖星。
我們從中找到了20個黑寡婦類型的雙星系統(tǒng)。怎么這么多？與射電信號相比，伽馬射線的能量比較高，可以穿透伴星的物質(zhì)風（即使伴星正在猛烈地揮發(fā)著物質(zhì)也不會影響）。正是依靠伽馬射線的強信號，天文學家才能有的放矢地進行反復的射電觀測證認，也因此大大增加了發(fā)現(xiàn)偶而才在伴星星風里露一下臉的脈沖星的機率。如果沒有伽馬射線信號，天文學家在射電波段巡天時會因為什么都沒看到而錯過。所以說，費米望遠鏡的伽馬射線巡天實際上為搜尋脈沖星的人提供了一張標出寶藏位置的 “藏寶圖”。
盡管獲得了這樣的成功， 在250個最亮的伽馬射線源中，有6個天體仍然身份不明（它們不是耀變天體，不是脈沖星，也不是與前兩者同類的其他天體）。我和我的同事在過去幾年里一直跟蹤觀測這些神秘的源。它們的信號穩(wěn)定，不隨天或年發(fā)生變化。它們有能量很高的伽馬射線譜——非常像脈沖星。然而，我們在射電波段對它們進行了反復觀測，卻沒有任何發(fā)現(xiàn)。對它們的伽馬射線信號做的數(shù)值分析也沒能從中找出年輕、活力充沛的脈沖星理應發(fā)出的任何脈沖信號。
于是，我們開始懷疑這些源可能是繞轉(zhuǎn)軌道非常緊密的黑寡婦系統(tǒng)，而我們要找的脈沖星則深藏于伴星的星風里。它們的射電脈沖信號可能很少有機會，或者永遠無法穿透星風，使我們幾乎不可能探測到它們。新近的兩個發(fā)現(xiàn)支持了上面的猜想。不僅如此，這些發(fā)現(xiàn)還指出了問題的關鍵是找伴星。脈沖星的高速粒子風幾乎是不可見的，除非它擊中了什么東西。在黑寡婦雙星系統(tǒng)里，加速粒子猛力撞擊伴星，把它加熱到極高的溫度。當伴星圍繞脈沖星轉(zhuǎn)動，我們會輪流看到其明亮、熾熱的一面（被加熱的那面）和黯淡，發(fā)紅的另一面（未被加熱的那面）。
這是個與眾不同的特征，但是要找到具有這樣特征的恒星并不是一件容易的事。支撐伽馬射線穿透星風的巨大能量同樣也使這些信號無法在探測器上聚焦成像。所以，費米探測器是靠追蹤伽馬光子在探測器內(nèi)部產(chǎn)生的正反粒子對來成像的。這種成像方法能提供的角分辨率十分有限。即使是一個已經(jīng)精確定位的伽馬射線源，在探測器上也可能出現(xiàn)在一個滿月大小區(qū)域里的任意一點。如果我們要從星系的星場里搜尋一個暗弱的變星，需要對同一區(qū)域的十萬顆恒星進行觀測證認！這也毫不奇怪為何已發(fā)現(xiàn)的源要么位于遠離銀道面的稀疏星場中，要么有其他波段的觀測（例如X射線觀測）能提供更多詳細信息。
位居脈沖星研究前沿的2個黑寡婦候選者
費米伽馬射線源 2FGLJ2339.6-0532是首個通過觀測伴星進而成功發(fā)現(xiàn)脈沖星的源。Albert Kong（來自臺灣清華大學）和他的同事注意到這個源所在的區(qū)域有一顆變星。我們隨后用各種望遠鏡觀測并最終證實它確是一顆被炙烤著的伴星。它那位看不見的伙伴噴出的能量超過10倍太陽能量（可能是以脈沖星高速粒子風的形式）。我們用德克薩斯州的10米Hobby-Eberly望遠鏡拍攝到它沿軌道運動時的光譜（軌道周期為4.6小時）。僅僅兩個小時內(nèi)，它的光譜型就從F級（當它的受熱面進入視線時，表面溫度大約是7000開）變到M級（表面溫度小于3000開，此時我們看到的是未被加熱的那面），生動地向我們普及了一次有關恒星光譜類型的知識。光譜型的這種劇烈變化也可以從它在軌道運動中顯現(xiàn)的顏色變化看出來（見下圖）。
雙面恒星：上圖是由基特峰天文臺的3.5米WIYN望遠鏡拍攝的照片合成的組圖。從圖中能明顯看出J2339的伴星（已用圓圈圈出）的亮度和顏色變化。左側(cè)是一顆7.6等的亮星HD 222358。（圖片來源：Roger W. Romani）
這顆星是目前已知的所有被脈沖星加熱的伴星中最明亮的。它的星等值最高可達18等。我們用斯坦福大學教學用天文臺的0.6米望遠鏡跟蹤它的軌道運動。我們清晰地看到它的亮度在五分鐘里改變了三個星等。這顆伴星位于一顆7.6等星（HD222358）的西方3角分距離，很容易找到。裝備精良的觀測愛好者用10英寸以上、裝備了敏感的CCD照相機的望遠鏡在一個觀測時段內(nèi)就能看到這顆被炙烤的伴星忽隱忽現(xiàn)（見下圖）。
一次秋季觀測挑戰(zhàn)：如果配有合適的儀器，觀測愛好者們就能看到黑寡婦的伴星那一面熱、一面冷的強烈對比景象了。PSR J2339-0533位于雙魚座和寶瓶座交界的區(qū)域。在10月和11月的夜晚，北半球中緯度地區(qū)的觀測者可以在高于樹頂?shù)奈恢每吹剿?。?.6小時的軌道運動中，J2339的亮度能改變3個星等，其星等峰值可達18等。觀測者需要至少10英寸口徑的望遠鏡和CCD才能捕捉到這顆時隱時現(xiàn)的伴星。它位于一顆7.6等星HD222358的西方3角分距離。如果在它的亮度達到峰值前一、兩個小時就開始進行觀測，那么你就能全程跟蹤它變亮和變暗的過程了。如果有人想要估算它的亮度變化的相位，那么更精確的軌道周期是0.1930983天，亮度峰值出現(xiàn)在儒略日2456566.4952（2013年9月30日23：53 UT）。（圖片提供：Gregg Dinderman）
也許，新近發(fā)現(xiàn)的被加熱伴星（費米伽馬射線源 2FGL J1311.7-3429）更加令人嘆為觀止。這顆伴星的亮度在僅僅94分鐘里就變化了4個星等（從20等降到24等）。除了亮度如正弦曲線一樣周期性地減弱和增強，它還產(chǎn)生了神秘的閃耀，使其亮度提高到18等。這顆伴星的受熱面被加熱到12000開——這是光譜B型的恒星的表面溫度。隨著受熱面進入、離開我們的視線，我們正目睹著這顆伴星在高速粒子風的猛烈轟擊中備受折磨、垂死掙扎。
當我們確認了這兩顆伽馬射線源的軌道周期之后，其他天文學家同時在伽馬射線和射電波段探測到了毫秒級脈沖信號，證實了它們確實是黑寡婦脈沖星系統(tǒng)。其實，射電波段的證認工作是非常困難的。因為脈沖信號被深深地埋藏在伴星的星風里，只有在星風減弱的片刻才能探測到信號（在一百次重復觀測中也只有幾次能遇上這種情況）。射電巡天是不太可能發(fā)現(xiàn)這些被深埋的脈沖星的，所以我們需要費米探測器來幫助定位。
費米望遠鏡仍然繼續(xù)為我們指示著宇宙加速器的藏身之處。隨著兩個神秘天體已經(jīng)被確認為黑寡婦系統(tǒng)（而且是已知的、處于最極端情況的黑寡婦系統(tǒng)），我們熱切期待著能從神秘莫測的伽馬射線巡天中挖掘出其它令人驚嘆的宇宙粒子加速器。
注：本文作者是斯坦福大學的物理學教授，也是Kavli粒子天體物理學和宇宙學研究所的研究人員。他還是費米巡天項目科學組成員。其主要研究方向是中子星、黑洞和其他高能天體。
