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蟹狀星云
超新星殘骸和脈沖風(fēng)星云
蟹狀星云（M1 ，NGC 1952或金牛座 A）是位于金牛座ζ星（天關(guān)）東北面的一個(gè)超新星殘骸和脈沖風(fēng)星云，是銀河系英仙臂的一部分，距地球約6,500光年（2,000秒差距），直徑達(dá)11光年（3.4秒差距），并以每秒約1,500公里的速度膨脹。
簡(jiǎn)介
蟹狀星云
1892年美國(guó)天文學(xué)家拍下了蟹狀星云的第一張照片，30年后天文學(xué)家在對(duì)比蟹狀星云以往的照片時(shí)，發(fā)現(xiàn)它在不斷擴(kuò)張，速度高達(dá)1100公里/秒，于是人們便對(duì)蟹狀星云的起源發(fā)生了興趣。由于蟹狀星云擴(kuò)張的速度非?？欤谑翘煳膶W(xué)家便根據(jù)這一速度反過(guò)來(lái)推算它形成的時(shí)間，結(jié)果得出一個(gè)結(jié)論：在900多年前，蟹狀星云很可能只有一顆恒星的大小。因此1928年美國(guó)天文學(xué)家哈勃第一次把它與超新星拉上了關(guān)系，認(rèn)為蟹狀星云是公元1054年古人觀測(cè)到的超新星爆發(fā)后留下的遺跡。
在西方的史料中，沒(méi)有找到相關(guān)的任何記錄，但在中國(guó)的史料中，卻找到了很多有關(guān)1054年曾有過(guò)超新星劇烈爆發(fā)的珍貴記錄資料。
起源
蟹狀星云產(chǎn)生在公元1054年一次明亮的超新星爆發(fā)：SN 1054。當(dāng)時(shí)中國(guó)、印度、阿拉伯和日本天文學(xué)家都記錄了這一天文現(xiàn)象。而星云是由約翰·貝維斯在1731年第一次觀測(cè)到的。1758年，查爾斯·梅西耶在觀測(cè)一顆亮彗星時(shí)獨(dú)立地再次發(fā)現(xiàn)這個(gè)星云。于是梅西耶將星云作為自己的類(lèi)彗星天體星表中第一個(gè)成員。1848年，羅斯伯爵在比爾城堡觀測(cè)到了此星云，因?yàn)樗L制的圖像形狀與螃蟹類(lèi)似，因此被稱為蟹狀星云。
NASA制作的蟹狀星云視頻
20世紀(jì)早期，對(duì)早期間隔數(shù)年的星云照片進(jìn)行的分析顯示它正在不斷膨脹。根據(jù)其膨脹速度反推可得，該星云在地球上開(kāi)始可見(jiàn)的時(shí)間至少在7400（900年加上光從那里傳播到地球的時(shí)間約6500年，見(jiàn)上文）年以前。而中國(guó)天文學(xué)家在1054年的記錄在天空的相同區(qū)域產(chǎn)生過(guò)一顆亮星，甚至白天都可觀測(cè)到。雖然距離十分遙遠(yuǎn)，但是當(dāng)時(shí)中國(guó)人觀測(cè)到的客星在白天也能看見(jiàn)，因此只可能是超新星。這是一種自身的核聚變已經(jīng)終止并坍縮，從而發(fā)生爆炸的大質(zhì)量恒星。
近期對(duì)歷史記載的分析表明，產(chǎn)生蟹狀星云的超新星爆發(fā)時(shí)間為4月或5月上旬，到了7月最亮?xí)r視星等升至-7到-4.5之間（比夜空中除了月球以外的任何天體都亮）。該超新星在首次發(fā)現(xiàn)大約兩年之內(nèi)都可用肉眼看到。歸功于東亞和中東地區(qū)的天文學(xué)家在1054年的觀測(cè)記錄，蟹狀星云成為第一個(gè)被確認(rèn)與超新星爆發(fā)有關(guān)的天體。
粒子加速器
蟹狀星云
蟹狀星云是膨脹的超新星殘留體，是由公元1054年中國(guó)和阿拉伯天文學(xué)家觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)恒星爆炸后，它將留下一種叫做“脈沖星”的密集恒星尸體。這種脈沖星以每秒30次的速度旋轉(zhuǎn)著，但是伴隨著它不斷噴射粒子和電場(chǎng)風(fēng)，脈沖星的旋轉(zhuǎn)速度逐漸減弱下來(lái)。
其中主要的宇宙粒子是電粒子，它們主要以X射線和伽馬射線的形式進(jìn)行高能量放射線噴射，當(dāng)它們通過(guò)蟹狀星云的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)被加速。但是之前研究人員尚不清楚這些宇宙粒子具體在什么位置發(fā)生加速。目前，英國(guó)南安普敦大學(xué)研究員托尼?迪安稱，這種宇宙粒子加速現(xiàn)象的發(fā)生通常非常接近于脈沖星。
據(jù)悉，迪安和研究同事是基于歐洲INTEGRAL衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)得出此結(jié)論的，該研究顯示脈沖星46%的伽馬射線噴射都出現(xiàn)了偏振，同時(shí)伴隨著光子的電磁場(chǎng)以共有方位排列著。美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的大衛(wèi)?湯普森說(shuō)，“這在天體物理學(xué)上是一個(gè)非常高比例的天文現(xiàn)象，像如此高百分比的偏振現(xiàn)象意味著這里的狀況很好，其內(nèi)部的磁場(chǎng)十分有序?！?/span>
像這樣秩序井然的磁場(chǎng)通常被認(rèn)為出現(xiàn)于脈沖星附近，而脈沖星表面的磁場(chǎng)要比地球磁場(chǎng)強(qiáng)1萬(wàn)億倍。這種磁場(chǎng)非常像一個(gè)條棒狀磁鐵，由于它非常接近脈沖星，從其中一個(gè)磁場(chǎng)極浮現(xiàn)出的磁場(chǎng)線將發(fā)生彎曲，在其返回至其他磁場(chǎng)極之前形成油炸圈餅的形狀。湯普森告訴《新科學(xué)家》雜志說(shuō)，“磁場(chǎng)一旦就離開(kāi)了脈沖星，其狀況就變得更加復(fù)雜了，其原因是磁場(chǎng)開(kāi)始分裂成為小片斷和節(jié)結(jié)?！边@項(xiàng)最新研究結(jié)果表明，脈沖星宇宙風(fēng)中的粒子流正被加速接近脈沖星，之后磁場(chǎng)才變得紊亂復(fù)雜。
湯普森稱，該發(fā)現(xiàn)符合理論預(yù)測(cè)，該預(yù)測(cè)很難進(jìn)行觀測(cè)。只有少數(shù)應(yīng)用于X射線和伽馬射線波長(zhǎng)的偏振測(cè)量方法才能實(shí)現(xiàn)。意大昨的里雅斯特市國(guó)際高級(jí)研究學(xué)院的安納里斯?塞洛蒂對(duì)該項(xiàng)研究評(píng)論稱，這是因?yàn)闇y(cè)量高能量光子偏振方向很難，而且當(dāng)前測(cè)試手段并不靈敏，不能完全測(cè)量出遙遠(yuǎn)天體的偏振現(xiàn)象。
湯普森對(duì)塞洛蒂的評(píng)論表示贊同，他說(shuō)，“這種現(xiàn)象在另一顆脈沖星上很難進(jìn)行復(fù)雜再現(xiàn)，這是由于蟹狀星云與地球非常接近，只有6500光年之遙。從而使其成為相對(duì)容易探測(cè)的研究目標(biāo)。蟹狀星云是所有天文學(xué)研究人員的最鐘愛(ài)的天體物理學(xué)研究室，我們已對(duì)這些簡(jiǎn)單問(wèn)題進(jìn)行了研究解答，目前我們要做的是進(jìn)行更復(fù)雜的研究。
這項(xiàng)最新研究洞察了磁場(chǎng)作為“引擎裝置”加速粒子，將有助于研究人員推斷究竟是什么動(dòng)力在推動(dòng)更遙遠(yuǎn)、更昏暗的天體目標(biāo)。湯普森說(shuō)，“脈沖星及其周?chē)鷧^(qū)域是非常極端的天體物理學(xué)實(shí)例。你所了解的關(guān)于其如何運(yùn)作的原理，將幫助我們理解粒子加速度和磁場(chǎng)形成的基礎(chǔ)物理特性?！?/span>
物理狀態(tài)
蟹狀星云在可見(jiàn)光區(qū)中有大量橢圓形的絲狀結(jié)構(gòu)圍繞著彌散的藍(lán)色核心區(qū)域，長(zhǎng)達(dá)6角分，寬達(dá)4角分（相比而言，滿月的直徑為30角分），是視直徑最大的天體之一。從三維的角度看，該星云的形狀是一個(gè)長(zhǎng)橢球體。這些絲狀結(jié)構(gòu)是前身星大氣層的殘余成分，主要由離子化的氦和氫組成，也含有碳、氧、氮、鐵、氖和硫。這些絲狀結(jié)構(gòu)的溫度通常處于11,000–18,000K之間，而它們的密度大約為每立方厘米1,300個(gè)粒子。
距離和大小
盡管蟹狀星云是天文學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)之一，但由于每種估測(cè)方法都存在不確定性，它的距離誤差仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。2008年得到的共識(shí)是它離地球的距離為2.0±0.5千秒差距（6.5±1.6千光年）。蟹狀星云正以大約1,500 km/s的速度膨脹。對(duì)間隔數(shù)年的星云照片進(jìn)行分析，結(jié)果是它正在緩慢膨脹，比較這種角膨脹和譜線紅移可以測(cè)定膨脹速度，此方法也能估測(cè)該星云到地球的距離。1973年，一項(xiàng)運(yùn)用多種不同方法測(cè)距的分析得出了它距離地球約6,300光年的結(jié)論。根據(jù)它的視直徑大小及距離可以計(jì)算出其直徑約為13±3光年。
將時(shí)間追溯到1054年超新星爆發(fā)之后的幾十年，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)星云自從產(chǎn)生以來(lái)就在不斷加速膨脹。這種加速是因?yàn)橹行牡拿}沖星產(chǎn)生的能量增強(qiáng)了星云的磁場(chǎng)，從而使星云膨脹，絲狀結(jié)構(gòu)不斷向外伸展。
質(zhì)量
估測(cè)星云的總質(zhì)量對(duì)于估計(jì)對(duì)應(yīng)超新星的前身星質(zhì)量是至關(guān)重要的。蟹狀星云絲狀結(jié)構(gòu)含有的物質(zhì)（離子和中性氣體噴射物，主要是氦）估計(jì)質(zhì)量可達(dá)4.6±1.8M☉。
輻射
1953年，約瑟夫·什克洛夫斯基（Iosif Shklovsky）提出彌散的藍(lán)色區(qū)域主要是由同步輻射造成的。這是指在磁場(chǎng)中回轉(zhuǎn)的相對(duì)論性電子（運(yùn)動(dòng)速度接近光速的電子）因?yàn)?/span>徑向加速度垂直于速度而發(fā)射出的電磁輻射。之后的觀測(cè)確認(rèn)了此理論。到了20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子偏轉(zhuǎn)的洛倫茲力來(lái)自于星云中心一顆中子星的強(qiáng)大磁場(chǎng)，在磁力的作用下電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并沿運(yùn)動(dòng)的切線方向發(fā)出電磁輻射。
自2010年9月19日起，天文學(xué)家觀測(cè)到蟹狀星云的伽馬射線強(qiáng)度突然提高了2到3倍。一種解釋認(rèn)為，爆發(fā)的短暫性表明電子還沒(méi)有加速到足以產(chǎn)生能量輻射的程度。當(dāng)電子被加速到極高能量時(shí)，星云磁場(chǎng)的強(qiáng)度可能也會(huì)比通常估計(jì)的要加強(qiáng)3到10倍。短暫的過(guò)程表明，伽馬射線可能源自星云內(nèi)部相對(duì)較小的一部分。另一種解釋則認(rèn)為脈沖星的帶電粒子風(fēng)闖入了星云內(nèi)部，并擠壓星云的磁場(chǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，磁場(chǎng)會(huì)釋放出巨大的能量，從而為電子加速提供能量源。
磁場(chǎng)
蟹狀星云的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為10到高斯，根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程，電子的總能量約為10爾格。這顯然不能與剛形成時(shí)相提并論，因?yàn)榻^大部分能量已通過(guò)絕熱損失輻射出去了。它的磁場(chǎng)有序程度很高，據(jù)國(guó)際伽瑪射線天體物理實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，其γ射線輻射有46%是偏振的，光子的電磁場(chǎng)也同向分布。美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的大衛(wèi)·湯普森說(shuō)：“在天體物理學(xué)中，這是非常嚴(yán)重的事情。如此高比例的偏振意味著這里得有非常好的條件，才能使磁場(chǎng)非常有序地排列?！?/span>
脈沖星磁場(chǎng)達(dá)到地球的10倍以上，類(lèi)似于棒狀磁場(chǎng)。上述事實(shí)表明脈沖星產(chǎn)生的粒子流速度很高，以至于非常接近脈沖星，才使磁場(chǎng)發(fā)生了扭曲。但由于目前儀器精度所限，還不能通過(guò)測(cè)量來(lái)確認(rèn)。蟹狀星云是絕無(wú)僅有的觀測(cè)目標(biāo)，因?yàn)槠渌}沖星過(guò)于遙遠(yuǎn)，難以深入研究。
其他
目前人類(lèi)對(duì)蟹狀星云的觀測(cè)已覆蓋從無(wú)線電波到γ射線的整個(gè)波段。特別是錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)發(fā)射以后，它先后發(fā)現(xiàn)了兩極的噴流，環(huán)繞著脈沖星赤道平面的星環(huán)，高速運(yùn)動(dòng)的亮條紋（wisp）和X射線強(qiáng)度很高的結(jié)節(jié)（knots）。這些結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度都很快，例如亮條紋可達(dá)光速的0.35至0.5倍，噴流也有光速的0.1倍。而結(jié)節(jié)的亮度僅次于中央的脈沖星。其中蟹狀星云的異常部分之一是富氦星環(huán)，它的星環(huán)從東向西穿過(guò)脈沖星區(qū)域。星環(huán)中大約25%是可見(jiàn)噴出物，而計(jì)算結(jié)果表明95%都是氦。因此目前對(duì)于星環(huán)的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有合理的解釋。
中心天體
蟹狀星云的中心有兩顆暗星，其中一顆與此星云的形成直接相關(guān)。1942年，魯?shù)婪颉らh可夫斯基發(fā)現(xiàn)它的光譜極不尋常，從而確認(rèn)了它的特殊性。到了1949年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)此星附近區(qū)域是很強(qiáng)的無(wú)線電波和X射線輻射源。1967年，它被確認(rèn)為天空中γ射線輻射強(qiáng)度最大的天體之一。第二年，地球上接受到它放出的輻射脈沖，因此它成為最早發(fā)現(xiàn)的脈沖星之一。
脈沖星是強(qiáng)大的電磁輻射源，它們以一定而且很短的周期釋放輻射脈沖，頻率可達(dá)每秒數(shù)百次。1967年剛發(fā)現(xiàn)這種天體時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)令人費(fèi)解的謎團(tuán)，該團(tuán)隊(duì)甚至考慮了那可能是先進(jìn)文明發(fā)出的信號(hào)。然而，在蟹狀星云中心發(fā)現(xiàn)了脈沖射線源，這成為證明該星云起源于超新星爆發(fā)的強(qiáng)有力的證據(jù)。現(xiàn)在認(rèn)為它們是高速自轉(zhuǎn)的中子星，它們的強(qiáng)磁場(chǎng)將輻射約束成很窄的波束向外釋放。
據(jù)信，蟹狀星云脈沖星的直徑約為28–30千米，它每隔33毫秒發(fā)射一次輻射脈沖。輻射脈沖的波長(zhǎng)跨越了從無(wú)線電波到γ射線的整個(gè)電磁波譜。與其他孤立的脈沖星一樣，它的自轉(zhuǎn)周期正在逐漸變慢。有時(shí)它的輻射周期會(huì)發(fā)生急劇變化，稱作自轉(zhuǎn)突變，這是由于中子星內(nèi)部的突然重新組合引起的。脈沖星自轉(zhuǎn)減緩時(shí)放出巨大的能量，并發(fā)射同步輻射，總光度可達(dá)太陽(yáng)的75,000倍之多。
蟹狀星云中心區(qū)域由于脈沖星極高能量的不斷釋放而變得異?；钴S。大多數(shù)天體的演化非常緩慢，只有經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間尺度才能覺(jué)察出變化。而蟹狀星云的內(nèi)部在幾天之內(nèi)就能產(chǎn)生明顯變化。星云內(nèi)部最活躍的特征，是脈沖星的赤道風(fēng)猛烈沖擊稀疏的其他區(qū)域，形成激波陣面。這種激波的形狀和位置瞬息萬(wàn)變，赤道風(fēng)一陣陣地形成然后漸漸減弱并消失，這是因?yàn)樗鼈冞M(jìn)入了遠(yuǎn)離脈沖星的星云內(nèi)部。
前身星
發(fā)生爆炸成為超新星的那顆恒星被稱作前身星（Progenitor star）。有兩種類(lèi)型的恒星會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā)：白矮星和大質(zhì)量恒星。在所謂的Ia型超新星中，氣體不斷落在白矮星上，不斷增大其質(zhì)量直至接近臨界值——錢(qián)德拉塞卡極限，最終的結(jié)果自然是發(fā)生爆炸。而對(duì)于Ib/c型和II型超新星，它們的前身星是一顆核聚變反應(yīng)耗盡了燃料的大質(zhì)量恒星，最終發(fā)生坍縮并不斷升溫，最終達(dá)到超新星爆發(fā)的臨界溫度。蟹狀星云中心存在脈沖星表明它一定是由核心坍縮型超新星形成的，因?yàn)镮a型超新星不產(chǎn)生脈沖星。
超新星爆發(fā)的理論模型表明爆炸形成蟹狀星云的超新星質(zhì)量至少為太陽(yáng)質(zhì)量的9到11倍。質(zhì)量小于8倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星因太小而不能發(fā)生超新星爆發(fā)，它們的最終宿命是行星狀星云。如果一顆恒星的質(zhì)量大于太陽(yáng)的12倍，那么它產(chǎn)生的星云化學(xué)成分會(huì)與蟹狀星云中實(shí)際檢測(cè)到的不符。
研究蟹狀星云遇到的一個(gè)重大問(wèn)題是星云和脈沖星的總質(zhì)量明顯比推測(cè)的前身星質(zhì)量小。關(guān)于那些消失的質(zhì)量的謎團(tuán)至今仍未解開(kāi)。首先通過(guò)它發(fā)出的總光度估算星云的質(zhì)量，然后計(jì)算所需質(zhì)量，可以得出星云的溫度和密度。質(zhì)量的區(qū)間估計(jì)是太陽(yáng)質(zhì)量的1–5倍之間，而一般研究者認(rèn)為太陽(yáng)質(zhì)量的2–3倍是合適的估計(jì)值。此外，中子星的質(zhì)量估計(jì)為1.4至2倍太陽(yáng)質(zhì)量。
解釋蟹狀星云消失質(zhì)量的主要理論是前身星的一部分物質(zhì)在超新星爆發(fā)之前就由星風(fēng)帶走了，這種現(xiàn)象在沃爾夫–拉葉星中是很常見(jiàn)的。然而，這會(huì)在星云外形成一個(gè)殼層。盡管天文學(xué)試圖使用各種不同的波長(zhǎng)來(lái)探測(cè)殼層，但至今還沒(méi)有任何發(fā)現(xiàn)。
天體掩星
蟹狀星云所在位置偏離地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的黃道平面大約1.5°，這意味月球甚至其他行星可能凌或掩蟹狀星云。盡管太陽(yáng)不會(huì)掩蔽此星云，但它的日冕會(huì)在星云之前經(jīng)過(guò)。這些凌星和掩星可用于同時(shí)分析星云和通過(guò)它的天體，因?yàn)榱栊腔蜓谛前l(fā)生時(shí)地球接收到的蟹狀星云的輻射會(huì)發(fā)生變化。
月球掩蟹狀星云的現(xiàn)象已用于繪制星云的X射線發(fā)射光譜。在發(fā)射X射線觀測(cè)衛(wèi)星（比如錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)）之前，X射線觀測(cè)的角分辨率普遍較低。但是月球從星云前經(jīng)過(guò)的時(shí)候，它的位置可以計(jì)算地非常精確，相當(dāng)于彌補(bǔ)了分辨率不足的缺陷，因此星云的亮度變化就可以用于制作X射線發(fā)射光譜。人們首次從蟹狀星云觀測(cè)到X射線時(shí)，就是運(yùn)用月球的掩星來(lái)確定波源的確切位置。
太陽(yáng)的日冕每年六月從蟹狀星云前經(jīng)過(guò)。此時(shí)收到的蟹狀星云的無(wú)線電波可用于分析日冕的密度和結(jié)構(gòu)。早期觀測(cè)認(rèn)為日冕的延伸距離遠(yuǎn)比以前的估計(jì)要大，而后來(lái)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)日冕密度會(huì)發(fā)生巨大的變化。
詳細(xì)介紹
1921年，美國(guó)科學(xué)家把兩批相隔12年的蟹狀星云照片進(jìn)行了仔細(xì)和反復(fù)的比較之后，確認(rèn)星云的橢圓形外殼仍在高速膨脹，速度達(dá)到每秒1300公里。1942年，荷蘭天文學(xué)家奧爾特以其令人信服的論證，確認(rèn)蟹狀星云就是1054年超新星爆發(fā)后形成的。
蟹狀星云還是強(qiáng)紅外源、紫外源、X射線源和γ射線源。它的總輻射光度的量級(jí)比太陽(yáng)強(qiáng)幾萬(wàn)倍。1968年發(fā)現(xiàn)該星云中的射電脈沖星，它的脈沖周期是0.0331秒，在1982年毫秒脈沖星發(fā)現(xiàn)前，保持了已知脈沖星中周期最短的紀(jì)錄。目前已公認(rèn)，脈沖星是快速自旋的中子星，有極強(qiáng)的磁性，是超新星爆發(fā)時(shí)形成的坍縮致密星。蟹狀星云脈沖星的質(zhì)量約為一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，其發(fā)光氣體的質(zhì)量也約達(dá)一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，可見(jiàn)該星云爆發(fā)前是質(zhì)量比太陽(yáng)大若干倍的大天體。星云距離約6300光年，星云大小約12光年×7光年。
蟹狀星云
1888年出版《星云星團(tuán)新總表（NGC）》列為NGC 1952，《梅西耶星團(tuán)星云表》中列第一，代號(hào)M1。蟹狀星云的名稱是英國(guó)天文愛(ài)好者羅斯命名的。M1是最著名的超新星殘骸。這顆位于金牛座的超新星爆發(fā)當(dāng)時(shí)估計(jì)其絕對(duì)星等達(dá)到了-6等，[注：絕對(duì)星等---假設(shè)天體在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)距離遠(yuǎn)處---32.6光年的亮度，太陽(yáng)的絕對(duì)星等為4.8]相當(dāng)于滿月的亮度，它的實(shí)際光度比太陽(yáng)高5億倍，在白天也能看到，給當(dāng)時(shí)的人們留下了極深刻的印象。不僅如此，它的遺跡星云至今的輻射也比太陽(yáng)大，射電觀測(cè)發(fā)現(xiàn)它的輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)之間的關(guān)系不能用黑體輻射定律解釋，要發(fā)射這樣強(qiáng)的無(wú)線輻射，它的溫度要在50萬(wàn)度以上，對(duì)一個(gè)擴(kuò)散的星云來(lái)說(shuō)，這是不可能的，前蘇聯(lián)天文學(xué)家什克洛夫斯基1953年提出，蟹狀星云的輻射不是由于溫度升高產(chǎn)生的，而是由“同步加速輻射”的機(jī)制造成的。這個(gè)解釋已得到證實(shí)。蟹狀星云中央脈沖星的發(fā)現(xiàn)，獲得了1974年的“諾貝爾物理獎(jiǎng)”，它是1982年前發(fā)現(xiàn)的周期最短的脈沖星，只有0.033秒，并且直到現(xiàn)在，能夠在所有電磁波段上觀察到脈沖現(xiàn)象的只有它和另一顆很難觀測(cè)的脈沖星。這顆高速自旋的脈沖星證明了30年代對(duì)中子星的預(yù)言，肯定了一種恒星演化理論：超新星爆發(fā)時(shí)，氣體外殼被拋射出去，形成超新星遺跡，就象蟹狀星云，而恒星核心卻迅速坍縮，由恒星質(zhì)量決定它的歸宿是顆白矮星或是中子星或是黑洞。中子星內(nèi)部沒(méi)有熱核反應(yīng)，但它的能量卻又大得驚人，比太陽(yáng)大幾十萬(wàn)倍，這樣大的能量消耗，靠的是自轉(zhuǎn)速度的變慢，即動(dòng)能的減少來(lái)補(bǔ)償，才能符合能量守恒定律。第一個(gè)被觀測(cè)到的自轉(zhuǎn)周期變長(zhǎng)的中子星，恰好是M1中的中子星?？傊祟?lèi)對(duì)蟹狀星云的研究占了當(dāng)代天文學(xué)研究得很大比重，也的確得到了相當(dāng)比重的研究成果。
觀測(cè)資料
類(lèi)型 | 超新星殘骸 |
赤經(jīng) | 05h 34m 31.97s |
赤緯 | +22° 00′ 52.1″ |
距離 | 6300 光年 |
視星等 | +8.4 |
視直徑 | 6×4 角分 |
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歷史記錄
根據(jù)中國(guó)歷史記載，在現(xiàn)在蟹狀星云的那個(gè)位置上，曾經(jīng)有過(guò)超新星爆發(fā)，那就是1054年7月4日（宋仁宗至和元年的五月己丑）大約寅時(shí)出現(xiàn)的、特亮的天關(guān)星“天關(guān)客星”。
天關(guān)客星
宋史·天文志-第九
“己丑，客星出天關(guān)之東南可數(shù)寸。嘉祐元年三月乃沒(méi)?！币?jiàn)：李燾，《續(xù)資治通鑒長(zhǎng)編》（北京：中華書(shū)局，2004二版），卷176，頁(yè)4263）
《宋史·天文志-第九》：“至和元年五月己丑，出天關(guān)東南可數(shù)寸，歲余稍沒(méi)?！?/span>
《宋史·仁宗本紀(jì)》：“（嘉佑元年三月）辛未，司天監(jiān)言：自至和元年五月，客星晨出東方，守天關(guān)，至是沒(méi)。”
《宋會(huì)要》：“嘉佑元年三月，司天監(jiān)言：‘客星沒(méi)，客去之兆也’。初，至和元年五月，晨出東方，守天關(guān)。晝?nèi)缣祝⒔撬某?，色赤白，凡?jiàn)二十三日?！?/span>
宋史·仁宗本紀(jì)
這個(gè)客星真是一個(gè)“不速之客”，來(lái)了就不走。在23天的時(shí)間里，像太白金星一樣亮，白天都可以看到，即所謂“晝見(jiàn)如太白”“凡見(jiàn)二十三日”?？托强床坏降娜掌谑?056年4月6日，距離客星出現(xiàn)的日期1054年7月4日已經(jīng)整整過(guò)了643天。在這將近兩年的時(shí)間里，只要能看到客星。司天監(jiān)的人員總是堅(jiān)持不懈地進(jìn)行觀測(cè)，他們?cè)敿?xì)地記錄了客星的位置、顏色和亮度變化。這些詳細(xì)的觀測(cè)資料雖然大部分已經(jīng)遺失，但僅是這流傳下來(lái)的簡(jiǎn)短記載，已經(jīng)使后人敬佩不已了。
簡(jiǎn)單歷史
1054年
中國(guó)古代天文學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)天關(guān)客星。
1731年英國(guó)醫(yī)生、天文愛(ài)好者拜維斯發(fā)現(xiàn)蟹狀星云。
1850年
蟹狀星云”的指狀、環(huán)狀以及灣狀部分
1910年，蘭姆蘭德首先注意到“束條”結(jié)構(gòu)。
1921年，蘭姆蘭德和鄧肯彼此獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)蟹狀星云在膨脹。
1928年，哈勃測(cè)量出蟹狀星云的膨脹速度，由此斷定它是中國(guó)發(fā)現(xiàn)的天關(guān)客星的遺跡。
1948年
射電觀測(cè)發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)強(qiáng)射電源。
1953年，史克洛夫斯基提出蟹狀星云的射電輻射機(jī)制是同步加速輻射，很快被光學(xué)偏振觀測(cè)所證實(shí)。
1957年
射電偏振觀測(cè)成功。
1963年，發(fā)現(xiàn)蟹狀星云是一個(gè)X射線源。1964年 中心附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)致密源。
1968年
來(lái)自哈柏的光學(xué)數(shù)據(jù)以及來(lái)自錢(qián)卓的X光圖片
1968年，發(fā)現(xiàn)蟹狀星云脈沖星NP0532（統(tǒng)一名稱PSR 0531+21）。
1969年，發(fā)現(xiàn)NP0532同時(shí)是一顆光學(xué)脈沖星。
基本數(shù)據(jù)
位置：赤經(jīng)5時(shí)31分5秒，赤緯21°59′ ，銀經(jīng)184°，銀緯—6°。說(shuō)明：在銀河系里比太陽(yáng)離銀心更遠(yuǎn)些，在銀道面之下200秒差距。
距離：1930秒差距或6300光年。
質(zhì)量：中心星0.5～1.5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，電離氣體0.6～3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，中性氣體（纖維中心）可能1.5～幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，總質(zhì)量2～3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量或3.98～5.97×10的27次方噸。說(shuō)明：總質(zhì)量的可能范圍1～10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
膨脹速度：1450公里/秒。說(shuō)明：不同人測(cè)得的結(jié)果有所不同
天體構(gòu)造
蟹狀星云
通常情況下，宇宙中的脈沖射電源都只擁有一對(duì)磁極——北極和南極。但美國(guó)新墨西哥理工學(xué)院的提姆·漢金斯和吉恩·埃雷克等人卻發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的雙磁極理論根本無(wú)法解釋蟹狀星云中脈沖射電源的活動(dòng)情況。漢金斯表示，由于存在著多個(gè)磁極相互作用的現(xiàn)象，蟹狀星云中射電源的磁場(chǎng)受到了明顯的扭曲。
科學(xué)家們介紹說(shuō)，在浩瀚的宇宙中，絕大多數(shù)脈沖射電源都只產(chǎn)生一種脈沖，而有少部分除了一個(gè)主脈沖外還擁有另外一個(gè)次脈沖--后者被稱為“中間脈沖”。專家們認(rèn)為，每一種脈沖都會(huì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)磁極，它們的關(guān)系就像是一對(duì)密不可分的朋友。然而漢金斯和埃雷克卻發(fā)現(xiàn)，蟹狀星云中的脈沖射電源卻完全與眾不同——其主脈沖短暫而強(qiáng)烈，“中間脈沖”持續(xù)的時(shí)間很長(zhǎng)，功率卻很弱。
除此之外，這一“中間脈沖”所發(fā)出的無(wú)線電輻射也與其他脈沖射電源的完全不同。另一位美國(guó)科學(xué)家保羅·弗里埃爾在分析了漢金斯等人的研究成果后指出，在蟹狀星云中發(fā)現(xiàn)的“中間脈沖”所產(chǎn)生的輻射極其特別，此前還從未碰到過(guò)類(lèi)似的情況。
根據(jù)漢金斯提出的觀點(diǎn)，導(dǎo)致“中間脈沖”輻射異常的原因可能是因?yàn)榇嬖谥谌齻€(gè)磁極。或許，第三個(gè)磁極是在脈沖射電源形成的過(guò)程中出現(xiàn)的。至于上述過(guò)程是如何發(fā)展的還有待于進(jìn)一步的研究。
漢金斯補(bǔ)充說(shuō)，蟹狀星云中的脈沖射電源應(yīng)該還擁有第四個(gè)磁極--因?yàn)樗械拇艠O都是成對(duì)出現(xiàn)的。
據(jù)美國(guó)宇航局官網(wǎng)報(bào)道，近日，美國(guó)宇航局三大天文臺(tái)觀測(cè)到“蟹狀星云”中的一顆中子星正在釋放大量高能粒子，它的能量釋放速率相當(dāng)于太陽(yáng)的10萬(wàn)倍。
大約在公元1054年，人類(lèi)從地球上就可以觀測(cè)到金牛座一顆恒星死亡所引起的超新星爆炸。到了近千年后的今天，人們?nèi)钥梢钥吹竭@顆恒星死亡后的壯觀景象。在超新星爆炸發(fā)生后，產(chǎn)生了一種超高密度的天體，即中子星，而爆炸殘留物所占領(lǐng)的區(qū)域就是人們所知道的“蟹狀星云”。目前，這顆中子星正在向“蟹狀星云”輻射出大量的高能粒子，形成高能粒子風(fēng)暴。美國(guó)宇航局錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，這顆中子星就像是一臺(tái)巨大的宇宙發(fā)電機(jī)。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和斯必澤空間望遠(yuǎn)鏡也參與了觀測(cè)。美國(guó)宇航局根據(jù)三大天文望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，最終形成了一張“蟹狀星云”中子星高能粒子風(fēng)暴的合成圖。圖中的藍(lán)色部分就是由錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)數(shù)據(jù)所形成的X射線圖像，黃色和紅色部分則是由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝的光學(xué)圖像，而紫色部分則是由斯必澤空間望遠(yuǎn)鏡所拍攝的紅外圖像。其中，X射線圖像比其他圖像都要小，這是因?yàn)闃O端高能電子所釋放的X射線比低能電子所釋放的光學(xué)和紅外射線能量衰減速度要快得多。
一直以來(lái)，“蟹狀星云”都是被人類(lèi)研究最多的太空目標(biāo)之一，它已經(jīng)被科學(xué)家們看作是宇宙的形象代表。在過(guò)去十年間，錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)經(jīng)常協(xié)同其他天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)“蟹狀星云”進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)。
研究發(fā)現(xiàn)
2021年7月，中國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO拉索）成功測(cè)量出蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，實(shí)現(xiàn)了前所未有的超高能區(qū)（0.3-1.1拍電子伏）的精確測(cè)量。
參考資料
[1]
中國(guó)科大在蟹狀星云輻射精確測(cè)量中發(fā)揮重要作用 · 人民日?qǐng)?bào)[引用日期2021-07-14]
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探索神奇的蟹狀星云！世間萬(wàn)物，生即是死，死亦是生！
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公元1054年，北宋超新星爆發(fā)事件，900多年后還能看到遺跡！
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