凶残的黑寡妇脉冲星

说到“黑寡妇”你会想到什么？是能分泌致命神经毒素的恐怖蜘蛛，还是漫威里风情万种的寡姐？如果你要问一名天体物理学家，那么他可能会给你一个不一样的答案 —— 一类特殊的脉冲星。为什么要给天体起一个蜘蛛的名字？难道它们之间有什么相似之处吗？

我们知道，作为恒星在演化末期剩下的残骸，脉冲星是一种高度磁化的致密星，密度非常高。它们本质上可能是一颗地球大小的白矮星，但更可能是一颗只有城市大小的中子星。

中子星这个名字经常让人误以为它完全是由不带电的中子构成的，其实不然。中子星的结构非常复杂，甚至于迄今为止我们也没有完全搞清楚它的组成。不过种种迹象表明，构成它的部分物质仍然存在带电粒子。

带电，而且自身在旋转，再加上本身的高密度，因此中子星不但有磁场，磁场通常还非常强。于是很多中子星的磁极会向外发出电磁辐射束，当辐射束和自转轴存在夹角且辐射束可以扫过地球时，我们便能观察到它周期性的脉冲信号，因此人们称其为“脉冲星”。

通常来说，成为一颗脉冲星意味着恒星已经走完了它绚丽的一生。它内部的物质已经没有了正常的物质结构，处于的是一种由泡利不相容原理支配的极端量子态 —— 简并态。这种状态的物质就像《三体》里“水滴”外壳的材料，已经完全固化锁死，不会再有任何核反应发生。所以对于恒星来说，这就相当于它的内部器官已经彻底衰竭，等待它的是彻底的凉凉。没错，就是物理上的凉凉 —— 彻底冷却。

宇宙中的恒星都会这样孤独终老吗？其实像我们太阳这种“单身狗”在宇宙中可能并不是主流，很多恒星人家都是成双结对出现的，也就是双星系统。这些系统中的中子星，它们往往会在自己彻底凉凉之前，凭借自身强大的潮汐力把伴星给撕碎，然后通过吸取对方身上物质的方式来为自己“续命”，这被称为“吸积过程”。

在吸积过程中，物质落入中子星时会向外辐射 X 射线，它标志着中子星仍然“气息尚存”。吞噬伴星的物质不但使得中子星得以续命，同时它还因此获得了落入物质带来的角动量，也就自身的转速会在这个过程中逐步提高，直至成为一颗自转周期仅有几毫秒的毫秒脉冲星。

这种毫秒脉冲星除了有着周期性的电磁辐射外，还会产生类似太阳风那样的高能粒子风。此时，它的伴星如果离的不远，完了再恰巧是一颗质量不大的“小家伙”的话，那么这些辐射和粒子风将会对这颗伴星产生毁灭性打击。

1988 年，天文学家通过阿雷西博射电望远镜，在距离地球 6500 光年的位置发现了一颗诡异的毫秒脉冲星（PSR B1957+20）。

不同于往常的脉冲星信号，这颗脉冲星的信号会时不时地减弱甚至消失。经过分析发现，信号减弱的原因是伴星运动到了脉冲星的前方把辐射束遮挡住了，类似日食的原理，因此人们称其为“掩食脉冲星”。

伴星遮挡了辐射束，这意味着这颗恒星正在承受着脉冲星强大的电磁辐射。本来自己的物质都在被一点点吸走，每天还要经受电磁辐射的洗礼，此外高能的粒子风还在玩命地往身上吹，在这多重打击之下，这颗伴星已经选择彻底躺平，任凭剥离其表面物质。

这种一边吸取伴星物质还一边对其进行疯狂揉虐的行为，十分类似黑寡妇蜘蛛会肢解与它们交配后的伴侣的这个习性，于是“黑寡妇脉冲星”这个名字便由此而来。

黑寡妇脉冲星看起来这么凶，其中一个原因也在于它的对手十分弱小。它的伴星质量还不到太阳的 1/20，通常是些褐矮星或者是超级木星。不过此后天文学家在一些掩食脉冲星周围，又发现了更大的伴星。它们至少有 1/10 太阳质量，有些甚至可以达到半个太阳。如果黑寡妇的伴星由于质量小，还不能被算作标准恒星的话，这个体量的伴星绝对够得上红矮星的标准了。由于红矮星本身也会产生高能粒子风，这就使得它可以和脉冲星的粒子风叫一叫板。凭借着自己的吨位，它似乎有了一些反抗脉冲星的底气。

然而面对这类大个子伴星，脉冲星的动作虽然稍显吃力，但就凶残程度而言可谓有过之而无不及。因此，天文学家把这种有着大个子伴星的掩食脉冲星起名为“红背脉冲星”。没错，红背蜘蛛是一种比黑寡妇更毒、也喜欢吃掉伴侣的蜘蛛，通常也叫做赤背寡妇蛛。

无论是“黑寡妇”还是“红背”，人们把这种吞噬并摧毁伴星的脉冲星统称为“蜘蛛脉冲星”。目前已发现的蜘蛛脉冲星已经超过了 90 颗，其中有将近一半的蜘蛛脉冲星都位于球状星团中。比如 2023 年，天文学家在距离我们 17000 光年的球状星团 NGC 5139 中，就新发现了 5 颗蜘蛛脉冲星。

为什么球状星团中更容易发现蜘蛛脉冲星呢？一个是这里的恒星更加密集，一个是这里的恒星更加古老。“密集”意味着恒星之间更容易产生“摩擦”，而“古老”意味着有更多的恒星走到了生命的尽头成为了脉冲星。

那么，随着时间的推移，那些长期遭受脉冲星摧残的伴星会有怎样的结局？它们是否会被吸干榨净最终灰飞烟灭呢？

根据以往对黑寡妇脉冲星的研究，它们的伴星如果要被彻底摧毁，通常需要相当长的时间，这个时间甚至会超过当前宇宙的年龄。然而事实上，天文学家已经发现了几百颗孤立的毫秒脉冲星，大约占到了毫秒脉冲星总数的 1/3。虽然这里面不排除有些是母胎 Solo，但是这显然不能解释高达 1/3 占比的这个情况。

2022 年，中国科学院云南天文台的研究人员提出了一种黑寡妇脉冲星模型。在这个模型中，脉冲星通过释放伽马射线和高能粒子，可以使其伴星在较短时间内变得骨瘦如柴，也就是降低到一个极低的质量。有多低呢？低到甚至不如天王星、海王星这些行星。之后，这些骨瘦如柴的伴星（应该不能叫伴星，这完全已经是行星了）它们会被脉冲星的潮汐力直接撕碎，从此在宇宙中彻底灰飞烟灭。此后，黑寡妇脉冲星就会变成一个孤立的毫秒脉冲星。

作为孤家寡人，这些脉冲星的未来又会怎样呢？

对于红背脉冲星来说，自从它把伴星从一颗红矮星逐步剥离成褐矮星后，它也从红背脉冲星变成了一颗黑寡妇脉冲星（伴星变小了嘛）。等到把伴星彻底摧毁后，它就会成为一颗孤立的脉冲星。之后，随着时间的流逝脉冲星将会逐渐冷却，同时自转也会变慢。等到彻底越过所谓的“死亡线”后，脉冲星将无法继续产生高能射线。此后，它将仅作为一颗普通的中子星逐渐耗尽自身的能量，直到迎来最终死亡的那一天。

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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