§1.5 脉冲星类天体概览

在具体介绍脉冲星物理之前，我们先概要地阐述脉冲星相关致密天体（可称为“脉冲星类天体”）的观测手段、表现形式以及研究意义．

发现射电脉冲星后，自然能够测得脉冲星的自转周期，而较长时间后再度测量时发现周期变长，说明脉冲星转动能随时间而减少．这类依靠转动能提供粒子流和辐射的致密星称为转动供能脉冲星（rotation-powered pulsar）．尽管已发现的转动供能脉冲星大都是在射电波段，但后来也探测到了某些这类射电脉冲星的高能辐射（相应地称为转动供能X射线脉冲星或γ射线脉冲星，见第十四章）．当然，这些脉冲星的自转周期不是随机分布的，而主要集中于一秒和几毫秒附近的两个区域，前者称为普通脉冲星，后者称为毫秒脉冲星（见第十一章）．转动供能脉冲星将是本书的主要讨论内容．

起先较长一段时间内，人们一直认为转动能为脉冲星类致密天体提供唯一能源，直到1970年代学者们才意识到这类天体在X射线双星中还可通过吸积而有效地释放引力能，即它们可以是吸积供能的（accretion-powered）．一般而言，处于大质量X双星系统中的脉冲星类天体拥有较强的磁场，吸积流至致密星附近受磁场控制而形成磁极区热斑，表现为吸积供能的X射线脉冲星（见第十三章）．而处于小质量X射线双星中的脉冲星类天体磁场较弱，吸积流直接下落到赤道附近并可诱发热核爆炸，表现为X射线暴．

不过，天文观测还发现一类特殊的X射线脉冲星，它们因X射线辐射功率大于转动能损率而不可能是转动供能X射线脉冲星，并且观测上也未发现双星迹象而几乎排除是吸积供能的．人们称这类X射线脉冲星为反常X射线脉冲星，与其同属一类的天体是软γ射线重复暴．目前主流观点认为这两类致密星是磁场供能的，统称为超磁星（magnetar，见第十四章）．另一类与超新星遗迹成协的中心致密源，它们的转动能或许也不足以维持较高的X射线辐射，可能由残留的热能或表面多极磁场重联所释放的磁能所驱动．还有一类被称为“暗X射线辐射孤立中子星”的源，其X射线谱可以很好地用黑体谱来拟合，其能量来源可能是残余热．第十四章将介绍这些在X射线波段表现各异的脉冲星类天体．

本书将关注射电脉冲星．射电望远镜（见第二章和第三章）的观测模式包括搜寻和计时监测两种，前者用于发现新的射电脉冲星，后者是对已知脉冲星进行长期观测以达到某种科学或技术目的．在脉冲星的计时监测模式下，人们可以测量脉冲到达时间（TOA, time of arrival，见第四章）和脉冲轮廓（包括子脉冲、单脉冲、积分轮廓、脉冲缺失及偏振行为等，见第五章、第六章和第七章）.TOA的特征可反映脉冲星磁层动力学演化和内部结构，并用于校准时钟、修订太阳系星历表和测量宇宙纳赫兹背景引力波．脉冲轮廓所显示的辐射特征依赖于磁层的结构（见第七章）、相对论粒子的产生和加速等过程（见第八章和第九章）．不过，至今尚未清楚地了解脉冲星的内部结构（见第十章），这里涉及对基本强相互作用低能非微扰属性的理解．作为珍贵的天体实验室，脉冲星可用于精确检验包括广义相对论在内的引力理论（见第十一章和十二章）、探测引力波、了解星际介质的属性（见第十五章）．最近偶尔发现的快速射电暴（FRB, fast radio burst）具有很高的色散量，很可能彰显了处于宇宙学距离上发生的极端事件，可用作河外星系和星系际介质的探针．值得一提的是，脉冲星在工程应用方面也毫不逊色，为时间频标和空间导航领域的研究人员所关注．