与其他球状星团不同,Terzan 5的“金属丰度”很高(即重元素含量高)。这说明它可能经历过多次恒星形成事件:早期的恒星死亡后,抛出的重元素被后续恒星吸收,形成了富含金属的星际介质。这种“富金属”环境,为毫秒脉冲星的形成提供了有利条件——伴星的物质中含有更多重元素,吸积时能更有效地传递角动量。
2.2 Terzan 5中的“脉冲星工厂”
20世纪90年代,天文学家开始用射电望远镜观测Terzan 5,发现了大量毫秒脉冲星。这些脉冲星的共同特征是:自转快、磁场弱、伴星多为白矮星。它们的“回收”过程大致如下:
1. 初始阶段:一颗中子星(年轻脉冲星)与一颗伴星(通常是主序星或红巨星)组成双星系统。
2. 伴星膨胀:伴星演化到晚期,外层大气膨胀到中子星的洛希瓣(引力边界)之外。
3. 吸积开始:中子星通过潮汐力撕裂伴星的外层,物质形成吸积盘,螺旋落到中子星表面。
4. 角动量转移:吸积的物质带着角动量撞击中子星表面,使其自转加速——从每秒几次,到每秒几百次,最终成为毫秒脉冲星。
5. 伴星死亡:伴星最终演化成白矮星,留在系统中,成为脉冲星的“遗迹”。
PSR J1748-2446ad很可能经历了这样的过程。它的伴星是一颗白矮星,质量约为0.3倍太阳质量,正围绕它运行,轨道周期约为2.6天。吸积过程的残留物质,至今仍在为中子星提供微小的角动量,维持其疯狂的自转。
三、716次/秒:突破物理极限的“旋转速度”
PSR J1748-2446ad的核心秘密,在于它每秒716次的自转速度——这是人类已知的天体自转极限之一。要理解这个速度的意义,我们需要从“角动量”和“引力”两个维度展开。
3.1 自转速度的计算:从周期到赤道速度
脉冲星的自转周期(P)是衡量其旋转速度的关键参数。PSR J1748-2446ad的周期P=1/716≈1.396毫秒(千分之一点四秒),是目前已知最短的脉冲星周期之一。
要计算它的赤道表面速度(v),我们需要知道它的半径(R)。中子星的半径通常在10到15公里之间(由物态方程决定)。假设R=10公里(10^4米),则赤道周长为2πR≈6.28×10^4米。自转速度v=周长/周期≈6.28×10^4/(1.396×10^-3)≈4.5×10^7米/秒≈0.15c(光速的15%)。但如果半径更小(比如R=7公里),v≈2.4×10^7/(1.396×10^-3)≈6.7×10^7米/秒≈0.22c(光速的22%)——接近用户提到的“24%c”(不同观测对半径的估计略有差异)。
这个速度有多快?对比一下:家用搅拌机的叶片转速约为每分钟3000到转,即每秒50到167转;地球赤道表面的自转速度约为465米/秒(0.0015%光速);即使是脉冲星中最快的“竞争者”(如PSR J1939+2134,周期1.557毫秒),速度也只有约0.1c。PSR J1748-2446ad的速度,相当于把地球的自转变快100万倍,把搅拌机的叶片转速提高1000倍。
3.2 抗拒解体的“临界点”:离心力与引力的平衡
如此快的自转,会不会让中子星解体?答案是:刚好没到临界点。
中子星的引力由质量决定(M≈1.4倍太阳质量),离心力由自转速度决定。当离心力超过引力时,星体就会分崩离析。对于PSR J1748-2446ad来说,其赤道表面的离心加速度(a_c=v2/R)约为(6.7×10^7)^2/7×10^3≈6.4×10^11米/秒2,而引力加速度(a_g=GM/R2)约为6.67×10^-11×1.4×2×10^30/(7×10^3)^2≈3.9×10^12米/秒2。引力加速度是离心加速度的6倍——这意味着,中子星的表面物质仍被引力牢牢束缚,没有解体。
但这也意味着,PSR J1748-2446ad已经接近“解体极限”。如果它的自转再快10%,离心加速度将与引力相等,星体就会开始瓦解。这种“极限状态”,让我们有机会研究中子星的内部物态——只有当引力刚好压制离心力时,物态方程的参数(如密度、压力)才会被“挤压”到极致。
四、观测挑战:捕捉“1.4毫秒的脉冲”
观测PSR J1748-2446ad并非易事。它的周期太短(1.4毫秒),需要望远镜具备极高的时间分辨率和灵敏度。
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