想象一个星球,其表面被极强磁场所破碎,这听起来很不可信。但是,却解决了一个长期未决的奥秘。
1979年3月5日,一个突然的伽玛射线暴冲击了太阳系。有10几颗能在这一波段作探测的卫星,其探测器受到猛然一击,超出了它们的测量标度。
该现象延续了5秒钟,但射线暴的能量却保持了迄今测得的宇宙伽玛射线的最高记录。在天空的同一部位,随之还出现了不少次较弱一点的暴,同时也探测到出自其他源的一些零星暴。这些伽玛射线并非出于毁灭源的爆发事件,因为这些暴重复多次,对此天文学家感到困惑,那么究竟是什么东西提供了这种突然而巨大的能量爆发呢?
得克萨斯大学的杜肯(R. Duncan)说,“在过去的6年中,我们几乎每天都在考虑这一事件。他和其合作者——北卡罗来纳大学的汤普森(C. Thompson)于1992年著文,对1979年事件和来自类“软伽玛射线重复源”(SGRs)的其他暴作了解释。这是一个非常的概念:研究者提出了一种新型的星体,称之磁星,它密实得难以想象,故它有一固态的壳层,包裹着一个奇异液体的星核。更重要的,它具有一个十分强烈的磁场,它的运动使其表面极大地升温,以致在惊人的张力下表面爆裂,结果是星震,宇宙暴出了伽玛射线。
这听起来很怪,但在过去的几个月中,天文学界发现,杜肯和汤普森是正确的。美国宇航局马歇尔飞行中心的科维利奥图(C. Kouveliotou)说,“大门已向整群新型天体敞开,过去只是传闻,而从未见过。”再者,这种奇异的新型星球,还可用以解释迄今尚未解开的其他天文奥秘。
杜肯和汤普森根据磁星理论,未解释一些较为熟悉的中子星(磁星的亲戚)。中子星诞生于灾难性的超新星爆发,从而开始了它戏剧性的一生。其星球物质要比铅重上10万亿倍,而体内皆为液体,它的跨度仅10公里,要比地球小得多。而最令人感兴趣的是它们有一固态的壳层——一个铁质的表面,这跟一般恒星(如太阳)的稀薄而变动着的等离子体封包大不相同。
有不少充分的理由,可把SGR跟中子星联系起来。多频道卫星探测器所测得的SGR事例,使得天文学家再现了伽玛波的入射方向。他们发现,这个源似乎位于超新星遗留下来的云团之中。而且不论在什么地方出现这种残迹,就有中子星潜伏在那里的可能。
到了90年代中期,随着卫星探测技术的进展,使得天文学家能对准任何SGR的位置。这样,探测器就可对准那些持续的X-射线闪烁,这是在暴出现前后的那段时间,SGR所产生的辐射。可以肯定,这里必有一个超新星遗迹。
但有一个问题,通常,从超新星诞生不久的中子星是颗射电脉冲星。它们自转得十分快,并有十分强烈的磁场,但它们比之于磁星(磁场)至少要弱100倍。迅速旋转的动能,促使带电粒子沿着伸出星球表面的磁力线飞行,由于大多磁力线的两端皆嵌入星球,故这些粒子未能跑出星球。但在两极,磁力线像稻草束似地伸出空间,在这些地方,粒子束皆流入宇宙空间,并产生了射电波。当磁极旋转着横过我们的视线时,我们看到这些射束,有如规则的射电脉冲,就像一个灯塔周期性发出闪光。
但SGR的情况与此大不相同,它既发出伽玛和X射线暴,也发出它们稳定的闪烁。更有甚者,1979年3月5日的暴,是紧跟在一个具有周期性波动的低能辐射的波浪之后,这暗示出辐射源每8秒旋转一次。可是年轻的射电脉冲星,典型地旋转要快得多,每转一次远不到1秒,这就成为一个疑题。
这对理论家来说是一个挑战。若SGR暴出于中子星,那么这是一个过去从未见过的类型。80年代中期,出现了许多新奇的理论来解释SGR,但没有一个是坚实可信的。
杜肯和汤普森感兴趣的东西,是引起脉冲星磁场的原因。这两位研究者为一个事实所惊奇,即所有的年轻脉冲星,皆具有约达1012高斯的磁场,这相当于地球磁场(强度)的1万亿倍。最重要的是,他们发现,若中子星出生时旋转得很快,其磁场强度将因此而增强100-1000倍,这源于一个所谓发电机机制。在这一过程中,磁力线因星球内部运动着的灼热液体而被拉长和扭曲,它们就无法分开,这是因为液体中的带电粒子起着一种电磁胶的作用。随着磁力线在星球内部的缠绕,就产生了引起更大磁通量的电流,从而稳定地建立起(更大)磁场。
磁星的概念就此而生。杜肯说,我们开始考虑,具有如此强磁场的中子星,将会出现什么现象?
例如,这样的星球该缓慢地旋转,由于开始时转得很快,故它将明显地慢下来。在快速旋转和高度磁化的中子星中,其磁场轴和旋转轴不大会排成一线,这样,随着星球的旋转,磁场就有效地改变方向,引发电磁波的辐射。这些波也把旋转的动能带跑,星球的转速势必放慢。这种情况也会发生在脉冲星上,但它们的磁场要弱得多,因而丢失的旋转能并不大。
年轻脉冲星,在放射出大量旋转能(以射电波的形式)的情况下,仍保持着高速的自转,就此而言,磁星的旋转要慢得多了。磁星的能量源泉并非出于旋转,而是磁场本身。还有,年轻磁星可能很热,那是由于流动物质所产生的摩擦和磁场重新分布所产生的热所致。
杜肯和汤普森认识到,根据这些特性,事情开始趋于明朗。磁星是他们所猜测的软伽玛射线重复源吗?一个年轻磁星的摩擦热能解释SCR中的X-射线闪烁吗?磁星的缓慢旋转,确是跟3月5日暴中8秒钟的幅度相吻合。可是还留下一个悬念,那就是伽玛暴本身的起因。
再一次地计算磁星的条件,事情就明白了。强磁场通过星球的壳层,将使其表面温度升高到几百万度,这时壳层处于无法忍受的张力之下,直到一个猛烈的震动,壳层因此而碎裂以释放张力。星震类似于地震。此般释放出的磁能波浪将振动星球表面,并加热其上空的稀薄空气分子,引发出大量的软伽玛射线辐射。在这短暂的“脾气”发过后,磁星就平静下来,在较后的时期可能重新闪烁。
在1979年3月5日事例中,有一情节未能很好地加以解释,那就是为何其亮度要比一般的SCR暴亮1万倍左右?杜肯和汤普森说,这一点可通过所谓磁场重组过程而给以解释。此时,原来被扭曲、打断的磁力线,突然重新融合,释放出一个巨大的磁能暴。在太阳中,一个类似的过程会引发出太阳耀斑。
虽然所有这些解释与SCR暴的观测吻合得很好,但许多天文学家对磁星是否确实存在持怀疑态度。这一理论最需要的是得到观测支持,科氏等正是在这方面下了功夫。在1996年10月~1997年11月间,一个称之SGR1806-26的软伽玛射线重复源重新活动,科氏等使用RossiX-射线计时开拓者卫星,对它作了关键性地观测。他们在1998年5月的《自然》杂志上,刊出了他们的发现,从而最终把磁星从一种理论(可能性)发展成观测实际。
科氏小组发现这个源每7.47秒脉冲一次,并且在一个可测出的速率上放慢下来。这二次测量使研究者推导出,他们看到的是一个逐渐放慢转速的年青中子星(不超过1万年)。这个放慢的速率意味着,此星必具有一个大于射电脉冲星约100倍的磁场。这是有史以来第一次发现SGR,并为解开其奥秘找到了钥匙。
科氏说,“我们的这个成果,迫使我们必须要用新的眼光来观测中子星和银河系。”磁星旋转太慢,难以将其旋转能转换成射电波,这可能解释某些超新星遗迹为何不含射电脉冲星?磁星可能解开一群所谓异常X-射线脉冲屋之谜,这些星颇似SCR,但从未见过它们辐射伽玛射线暴。科氏相信,它们可能是一些老年磁星,已经越过了它们的年轻爆发期。磁星的磁场衰减得很快,约(在出生的)1万年后,星震活动和伽玛射线暴都将停止。这与所有的SCR似乎都伴有年轻的超新星遗迹的这一事实相吻合。
杜肯估计,在银河系内,有多达I亿颗磁星,它们中的大部分像死火山那样,经长期停顿后又开始活动。科氏强调说,“磁星可能是银河系中最普遍的一种星球(类型),但很少见到,因为它的活动期较短。’那么什么类型的星球算是死亡型呢?杜肯说,“它们是正在缓慢旋转的暗星,平静地漂流在银河系中,且难以观测到。”在宇宙空间,一颗平静的星球,可能在等待最狂暴活动期的来到。
[New Scientist,1998年8月15日]