蟹状星云（超新星残骸和脉冲风星云）
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更新时间：2023-05-16
蟹状星云
超新星残骸和脉冲风星云
简介
蟹状星云
1892年美国天文学家拍下了蟹状星云的第一张照片，30年后天文学家在对比蟹状星云以往的照片时，发现它在不断扩张，速度高达1100公里/秒，于是人们便对蟹状星云的起源发生了兴趣。由于蟹状星云扩张的速度非常快，于是天文学家便根据这一速度反过来推算它形成的时间，结果得出一个结论：在900多年前，蟹状星云很可能只有一颗恒星的大小。因此1928年美国天文学家哈勃第一次把它与超新星拉上了关系，认为蟹状星云是公元1054年古人观测到的超新星爆发后留下的遗迹。
在西方的史料中，没有找到相关的任何记录，但在中国的史料中，却找到了很多有关1054年曾有过超新星剧烈爆发的珍贵记录资料。
起源
蟹状星云产生在公元1054年一次明亮的超新星爆发：SN 1054。当时中国、印度、阿拉伯和日本天文学家都记录了这一天文现象。而星云是由约翰·贝维斯在1731年第一次观测到的。1758年，查尔斯·梅西耶在观测一颗亮彗星时独立地再次发现这个星云。于是梅西耶将星云作为自己的类彗星天体星表中第一个成员。1848年，罗斯伯爵在比尔城堡观测到了此星云，因为他绘制的图像形状与螃蟹类似，因此被称为蟹状星云。
NASA制作的蟹状星云视频
20世纪早期，对早期间隔数年的星云照片进行的分析显示它正在不断膨胀。根据其膨胀速度反推可得，该星云在地球上开始可见的时间至少在7400（900年加上光从那里传播到地球的时间约6500年，见上文）年以前。而中国天文学家在1054年的记录在天空的相同区域产生过一颗亮星，甚至白天都可观测到。虽然距离十分遥远，但是当时中国人观测到的客星在白天也能看见，因此只可能是超新星。这是一种自身的核聚变已经终止并坍缩，从而发生爆炸的大质量恒星。
近期对历史记载的分析表明，产生蟹状星云的超新星爆发时间为4月或5月上旬，到了7月最亮时视星等升至-7到-4.5之间（比夜空中除了月球以外的任何天体都亮）。该超新星在首次发现大约两年之内都可用肉眼看到。归功于东亚和中东地区的天文学家在1054年的观测记录，蟹状星云成为第一个被确认与超新星爆发有关的天体。
粒子加速器
蟹状星云
蟹状星云是膨胀的超新星残留体，是由公元1054年中国和阿拉伯天文学家观测发现的，当恒星爆炸后，它将留下一种叫做“脉冲星”的密集恒星尸体。这种脉冲星以每秒30次的速度旋转着，但是伴随着它不断喷射粒子和电场风，脉冲星的旋转速度逐渐减弱下来。
其中主要的宇宙粒子是电粒子，它们主要以X射线和伽马射线的形式进行高能量放射线喷射，当它们通过蟹状星云的磁场时会被加速。但是之前研究人员尚不清楚这些宇宙粒子具体在什么位置发生加速。目前，英国南安普敦大学研究员托尼・迪安称，这种宇宙粒子加速现象的发生通常非常接近于脉冲星。
据悉，迪安和研究同事是基于欧洲INTEGRAL卫星的观测数据得出此结论的，该研究显示脉冲星46%的伽马射线喷射都出现了偏振，同时伴随着光子的电磁场以共有方位排列着。美国宇航局戈达德太空飞行中心的大卫・汤普森说，“这在天体物理学上是一个非常高比例的天文现象，像如此高百分比的偏振现象意味着这里的状况很好，其内部的磁场十分有序。”
像这样秩序井然的磁场通常被认为出现于脉冲星附近，而脉冲星表面的磁场要比地球磁场强1万亿倍。这种磁场非常像一个条棒状磁铁，由于它非常接近脉冲星，从其中一个磁场极浮现出的磁场线将发生弯曲，在其返回至其他磁场极之前形成油炸圈饼的形状。汤普森告诉《新科学家》杂志说，“磁场一旦就离开了脉冲星，其状况就变得更加复杂了，其原因是磁场开始分裂成为小片断和节结。”这项最新研究结果表明，脉冲星宇宙风中的粒子流正被加速接近脉冲星，之后磁场才变得紊乱复杂。
汤普森称，该发现符合理论预测，该预测很难进行观测。只有少数应用于X射线和伽马射线波长的偏振测量方法才能实现。意大昨的里雅斯特市国际高级研究学院的安纳里斯・塞洛蒂对该项研究评论称，这是因为测量高能量光子偏振方向很难，而且当前测试手段并不灵敏，不能完全测量出遥远天体的偏振现象。
汤普森对塞洛蒂的评论表示赞同，他说，“这种现象在另一颗脉冲星上很难进行复杂再现，这是由于蟹状星云与地球非常接近，只有6500光年之遥。从而使其成为相对容易探测的研究目标。蟹状星云是所有天文学研究人员的最钟爱的天体物理学研究室，我们已对这些简单问题进行了研究解答，目前我们要做的是进行更复杂的研究。
这项最新研究洞察了磁场作为“引擎装置”加速粒子，将有助于研究人员推断究竟是什么动力在推动更遥远、更昏暗的天体目标。汤普森说，“脉冲星及其周围区域是非常极端的天体物理学实例。你所了解的关于其如何运作的原理，将帮助我们理解粒子加速度和磁场形成的基础物理特性。”
物理状态
蟹状星云在可见光区中有大量椭圆形的丝状结构围绕着弥散的蓝色核心区域，长达6角分，宽达4角分（相比而言，满月的直径为30角分），是视直径最大的天体之一。从三维的角度看，该星云的形状是一个长椭球体。这些丝状结构是前身星大气层的残余成分，主要由离子化的氦和氢组成，也含有碳、氧、氮、铁、氖和硫。这些丝状结构的温度通常处于11,000–18,000K之间，而它们的密度大约为每立方厘米1,300个粒子。
距离和大小
尽管蟹状星云是天文学家关注的焦点之一，但由于每种估测方法都存在不确定性，它的距离误差仍然是一个悬而未决的问题。2008年得到的共识是它离地球的距离为2.0±0.5千秒差距（6.5±1.6千光年）。蟹状星云正以大约1,500 km/s的速度膨胀。对间隔数年的星云照片进行分析，结果是它正在缓慢膨胀，比较这种角膨胀和谱线红移可以测定膨胀速度，此方法也能估测该星云到地球的距离。1973年，一项运用多种不同方法测距的分析得出了它距离地球约6,300光年的结论。根据它的视直径大小及距离可以计算出其直径约为13±3光年。
将时间追溯到1054年超新星爆发之后的几十年，可以发现这个星云自从产生以来就在不断加速膨胀。这种加速是因为中心的脉冲星产生的能量增强了星云的磁场，从而使星云膨胀，丝状结构不断向外伸展。
质量
辐射
1953年，约瑟夫·什克洛夫斯基（Iosif Shklovsky）提出弥散的蓝色区域主要是由同步辐射造成的。这是指在磁场中回转的相对论性电子（运动速度接近光速的电子）因为径向加速度垂直于速度而发射出的电磁辐射。之后的观测确认了此理论。到了20世纪60年代，天文学家发现电子偏转的洛伦兹力来自于星云中心一颗中子星的强大磁场，在磁力的作用下电子发生偏转，并沿运动的切线方向发出电磁辐射。
自2010年9月19日起，天文学家观测到蟹状星云的伽马射线强度突然提高了2到3倍。一种解释认为，爆发的短暂性表明电子还没有加速到足以产生能量辐射的程度。当电子被加速到极高能量时，星云磁场的强度可能也会比通常估计的要加强3到10倍。短暂的过程表明，伽马射线可能源自星云内部相对较小的一部分。另一种解释则认为脉冲星的带电粒子风闯入了星云内部，并挤压星云的磁场。在这个过程中，磁场会释放出巨大的能量，从而为电子加速提供能量源。
磁场
蟹状星云的磁场强度约为10到高斯，根据爱因斯坦质能方程，电子的总能量约为10尔格。这显然不能与刚形成时相提并论，因为绝大部分能量已通过绝热损失辐射出去了。它的磁场有序程度很高，据国际伽玛射线天体物理实验室的数据，其γ射线辐射有46%是偏振的，光子的电磁场也同向分布。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的大卫·汤普森说：“在天体物理学中，这是非常严重的事情。如此高比例的偏振意味着这里得有非常好的条件，才能使磁场非常有序地排列。”
脉冲星磁场达到地球的10倍以上，类似于棒状磁场。上述事实表明脉冲星产生的粒子流速度很高，以至于非常接近脉冲星，才使磁场发生了扭曲。但由于目前仪器精度所限，还不能通过测量来确认。蟹状星云是绝无仅有的观测目标，因为其他脉冲星过于遥远，难以深入研究。
其他
目前人类对蟹状星云的观测已覆盖从无线电波到γ射线的整个波段。特别是钱德拉X射线天文台发射以后，它先后发现了两极的喷流，环绕着脉冲星赤道平面的星环，高速运动的亮条纹（wisp）和X射线强度很高的结节（knots）。这些结构的运动速度都很快，例如亮条纹可达光速的0.35至0.5倍，喷流也有光速的0.1倍。而结节的亮度仅次于中央的脉冲星。其中蟹状星云的异常部分之一是富氦星环，它的星环从东向西穿过脉冲星区域。星环中大约25%是可见喷出物，而计算结果表明95%都是氦。因此目前对于星环的结构还没有合理的解释。
中心天体
蟹状星云的中心有两颗暗星，其中一颗与此星云的形成直接相关。1942年，鲁道夫·闵可夫斯基发现它的光谱极不寻常，从而确认了它的特殊性。到了1949年，天文学家发现此星附近区域是很强的无线电波和X射线辐射源。1967年，它被确认为天空中γ射线辐射强度最大的天体之一。第二年，地球上接受到它放出的辐射脉冲，因此它成为最早发现的脉冲星之一。
脉冲星是强大的电磁辐射源，它们以一定而且很短的周期释放辐射脉冲，频率可达每秒数百次。1967年刚发现这种天体时就产生一个令人费解的谜团，该团队甚至考虑了那可能是先进文明发出的信号。然而，在蟹状星云中心发现了脉冲射线源，这成为证明该星云起源于超新星爆发的强有力的证据。现在认为它们是高速自转的中子星，它们的强磁场将辐射约束成很窄的波束向外释放。
据信，蟹状星云脉冲星的直径约为28–30千米，它每隔33毫秒发射一次辐射脉冲。辐射脉冲的波长跨越了从无线电波到γ射线的整个电磁波谱。与其他孤立的脉冲星一样，它的自转周期正在逐渐变慢。有时它的辐射周期会发生急剧变化，称作自转突变，这是由于中子星内部的突然重新组合引起的。脉冲星自转减缓时放出巨大的能量，并发射同步辐射，总光度可达太阳的75,000倍之多。
蟹状星云中心区域由于脉冲星极高能量的不断释放而变得异常活跃。大多数天体的演化非常缓慢，只有经历很长的时间尺度才能觉察出变化。而蟹状星云的内部在几天之内就能产生明显变化。星云内部最活跃的特征，是脉冲星的赤道风猛烈冲击稀疏的其他区域，形成激波阵面。这种激波的形状和位置瞬息万变，赤道风一阵阵地形成然后渐渐减弱并消失，这是因为它们进入了远离脉冲星的星云内部。
前身星
发生爆炸成为超新星的那颗恒星被称作前身星（Progenitor star）。有两种类型的恒星会发生超新星爆发：白矮星和大质量恒星。在所谓的Ia型超新星中，气体不断落在白矮星上，不断增大其质量直至接近临界值——钱德拉塞卡极限，最终的结果自然是发生爆炸。而对于Ib/c型和II型超新星，它们的前身星是一颗核聚变反应耗尽了燃料的大质量恒星，最终发生坍缩并不断升温，最终达到超新星爆发的临界温度。蟹状星云中心存在脉冲星表明它一定是由核心坍缩型超新星形成的，因为Ia型超新星不产生脉冲星。
超新星爆发的理论模型表明爆炸形成蟹状星云的超新星质量至少为太阳质量的9到11倍。质量小于8倍太阳质量的恒星因太小而不能发生超新星爆发，它们的最终宿命是行星状星云。如果一颗恒星的质量大于太阳的12倍，那么它产生的星云化学成分会与蟹状星云中实际检测到的不符。
研究蟹状星云遇到的一个重大问题是星云和脉冲星的总质量明显比推测的前身星质量小。关于那些消失的质量的谜团至今仍未解开。首先通过它发出的总光度估算星云的质量，然后计算所需质量，可以得出星云的温度和密度。质量的区间估计是太阳质量的1–5倍之间，而一般研究者认为太阳质量的2–3倍是合适的估计值。此外，中子星的质量估计为1.4至2倍太阳质量。
解释蟹状星云消失质量的主要理论是前身星的一部分物质在超新星爆发之前就由星风带走了，这种现象在沃尔夫–拉叶星中是很常见的。然而，这会在星云外形成一个壳层。尽管天文学试图使用各种不同的波长来探测壳层，但至今还没有任何发现。
天体掩星
蟹状星云所在位置偏离地球绕太阳运转的黄道平面大约1.5°，这意味月球甚至其他行星可能凌或掩蟹状星云。尽管太阳不会掩蔽此星云，但它的日冕会在星云之前经过。这些凌星和掩星可用于同时分析星云和通过它的天体，因为凌星或掩星发生时地球接收到的蟹状星云的辐射会发生变化。
月球掩蟹状星云的现象已用于绘制星云的X射线发射光谱。在发射X射线观测卫星（比如钱德拉X射线天文台）之前，X射线观测的角分辨率普遍较低。但是月球从星云前经过的时候，它的位置可以计算地非常精确，相当于弥补了分辨率不足的缺陷，因此星云的亮度变化就可以用于制作X射线发射光谱。人们首次从蟹状星云观测到X射线时，就是运用月球的掩星来确定波源的确切位置。
太阳的日冕每年六月从蟹状星云前经过。此时收到的蟹状星云的无线电波可用于分析日冕的密度和结构。早期观测认为日冕的延伸距离远比以前的估计要大，而后来的观测发现日冕密度会发生巨大的变化。
详细介绍
1921年，美国科学家把两批相隔12年的蟹状星云照片进行了仔细和反复的比较之后，确认星云的椭圆形外壳仍在高速膨胀，速度达到每秒1300公里。1942年，荷兰天文学家奥尔特以其令人信服的论证，确认蟹状星云就是1054年超新星爆发后形成的。
蟹状星云还是强红外源、紫外源、X射线源和γ射线源。它的总辐射光度的量级比太阳强几万倍。1968年发现该星云中的射电脉冲星，它的脉冲周期是0.0331秒，在1982年毫秒脉冲星发现前，保持了已知脉冲星中周期最短的纪录。目前已公认，脉冲星是快速自旋的中子星，有极强的磁性，是超新星爆发时形成的坍缩致密星。蟹状星云脉冲星的质量约为一个太阳质量，其发光气体的质量也约达一个太阳质量，可见该星云爆发前是质量比太阳大若干倍的大天体。星云距离约6300光年，星云大小约12光年×7光年。
蟹状星云
1888年出版《星云星团新总表（NGC）》列为NGC 1952，《梅西耶星团星云表》中列第一，代号M1。蟹状星云的名称是英国天文爱好者罗斯命名的。M1是最著名的超新星残骸。这颗位于金牛座的超新星爆发当时估计其绝对星等达到了-6等，[注：绝对星等---假设天体在一个标准距离远处---32.6光年的亮度，太阳的绝对星等为4.8]相当于满月的亮度，它的实际光度比太阳高5亿倍，在白天也能看到，给当时的人们留下了极深刻的印象。不仅如此，它的遗迹星云至今的辐射也比太阳大，射电观测发现它的辐射强度和波长之间的关系不能用黑体辐射定律解释，要发射这样强的无线辐射，它的温度要在50万度以上，对一个扩散的星云来说，这是不可能的，前苏联天文学家什克洛夫斯基1953年提出，蟹状星云的辐射不是由于温度升高产生的，而是由“同步加速辐射”的机制造成的。这个解释已得到证实。蟹状星云中央脉冲星的发现，获得了1974年的“诺贝尔物理奖”，它是1982年前发现的周期最短的脉冲星，只有0.033秒，并且直到现在，能够在所有电磁波段上观察到脉冲现象的只有它和另一颗很难观测的脉冲星。这颗高速自旋的脉冲星证明了30年代对中子星的预言，肯定了一种恒星演化理论：超新星爆发时，气体外壳被抛射出去，形成超新星遗迹，就象蟹状星云，而恒星核心却迅速坍缩，由恒星质量决定它的归宿是颗白矮星或是中子星或是黑洞。中子星内部没有热核反应，但它的能量却又大得惊人，比太阳大几十万倍，这样大的能量消耗，靠的是自转速度的变慢，即动能的减少来补偿，才能符合能量守恒定律。第一个被观测到的自转周期变长的中子星，恰好是M1中的中子星。总之，人类对蟹状星云的研究占了当代天文学研究得很大比重，也的确得到了相当比重的研究成果。
观测资料
类型 | 超新星残骸 |
赤经 | 05h 34m 31.97s |
赤纬 | +22° 00′ 52.1″ |
距离 | 6300 光年 |
视星等 | +8.4 |
视直径 | 6×4 角分 |
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历史记录
根据中国历史记载，在现在蟹状星云的那个位置上，曾经有过超新星爆发，那就是1054年7月4日（宋仁宗至和元年的五月己丑）大约寅时出现的、特亮的天关星“天关客星”。
天关客星
宋史·天文志-第九
《宋史·天文志-第九》：“至和元年五月己丑，出天关东南可数寸，岁余稍没。”
《宋史·仁宗本纪》：“（嘉佑元年三月）辛未，司天监言：自至和元年五月，客星晨出东方，守天关，至是没。”
《宋会要》：“嘉佑元年三月，司天监言：‘客星没，客去之兆也’。初，至和元年五月，晨出东方，守天关。昼如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”
宋史·仁宗本纪
这个客星真是一个“不速之客”，来了就不走。在23天的时间里，像太白金星一样亮，白天都可以看到，即所谓“昼见如太白”“凡见二十三日”。客星看不到的日期是1056年4月6日，距离客星出现的日期1054年7月4日已经整整过了643天。在这将近两年的时间里，只要能看到客星。司天监的人员总是坚持不懈地进行观测，他们详细地记录了客星的位置、颜色和亮度变化。这些详细的观测资料虽然大部分已经遗失，但仅是这流传下来的简短记载，已经使后人敬佩不已了。
简单历史
1054年
中国古代天文学家最早发现天关客星。
1731年英国医生、天文爱好者拜维斯发现蟹状星云。
1850年
蟹状星云”的指状、环状以及湾状部分
1910年，兰姆兰德首先注意到“束条”结构。
1921年，兰姆兰德和邓肯彼此独立地发现蟹状星云在膨胀。
1928年，哈勃测量出蟹状星云的膨胀速度，由此断定它是中国发现的天关客星的遗迹。
1948年
射电观测发现它是一个强射电源。
1953年，史克洛夫斯基提出蟹状星云的射电辐射机制是同步加速辐射，很快被光学偏振观测所证实。
1957年
射电偏振观测成功。
1963年，发现蟹状星云是一个X射线源。1964年 中心附近发现了一个致密源。
1968年
来自哈柏的光学数据以及来自钱卓的X光图片
1968年，发现蟹状星云脉冲星NP0532（统一名称PSR 0531+21）。
1969年，发现NP0532同时是一颗光学脉冲星。
基本数据
天体构造
通常情况下，宇宙中的脉冲射电源都只拥有一对磁极——北极和南极。但美国新墨西哥理工学院的提姆·汉金斯和吉恩·埃雷克等人却发现，传统的双磁极理论根本无法解释蟹状星云中脉冲射电源的活动情况。汉金斯表示，由于存在着多个磁极相互作用的现象，蟹状星云中射电源的磁场受到了明显的扭曲。
科学家们介绍说，在浩瀚的宇宙中，绝大多数脉冲射电源都只产生一种脉冲，而有少部分除了一个主脉冲外还拥有另外一个次脉冲--后者被称为“中间脉冲”。专家们认为，每一种脉冲都会对应两个磁极，它们的关系就像是一对密不可分的朋友。然而汉金斯和埃雷克却发现，蟹状星云中的脉冲射电源却完全与众不同——其主脉冲短暂而强烈，“中间脉冲”持续的时间很长，功率却很弱。
除此之外，这一“中间脉冲”所发出的无线电辐射也与其他脉冲射电源的完全不同。另一位美国科学家保罗·弗里埃尔在分析了汉金斯等人的研究成果后指出，在蟹状星云中发现的“中间脉冲”所产生的辐射极其特别，此前还从未碰到过类似的情况。
根据汉金斯提出的观点，导致“中间脉冲”辐射异常的原因可能是因为存在着第三个磁极。或许，第三个磁极是在脉冲射电源形成的过程中出现的。至于上述过程是如何发展的还有待于进一步的研究。
汉金斯补充说，蟹状星云中的脉冲射电源应该还拥有第四个磁极--因为所有的磁极都是成对出现的。
大约在公元1054年，人类从地球上就可以观测到金牛座一颗恒星死亡所引起的超新星爆炸。到了近千年后的今天，人们仍可以看到这颗恒星死亡后的壮观景象。在超新星爆炸发生后，产生了一种超高密度的天体，即中子星，而爆炸残留物所占领的区域就是人们所知道的“蟹状星云”。目前，这颗中子星正在向“蟹状星云”辐射出大量的高能粒子，形成高能粒子风暴。美国宇航局钱德拉X射线天文台的观测数据显示，这颗中子星就像是一台巨大的宇宙发电机。
哈勃太空望远镜和斯必泽空间望远镜也参与了观测。美国宇航局根据三大天文望远镜所观测到的数据，最终形成了一张“蟹状星云”中子星高能粒子风暴的合成图。图中的蓝色部分就是由钱德拉X射线天文台数据所形成的X射线图像，黄色和红色部分则是由哈勃太空望远镜所拍摄的光学图像，而紫色部分则是由斯必泽空间望远镜所拍摄的红外图像。其中，X射线图像比其他图像都要小，这是因为极端高能电子所释放的X射线比低能电子所释放的光学和红外射线能量衰减速度要快得多。
一直以来，“蟹状星云”都是被人类研究最多的太空目标之一，它已经被科学家们看作是宇宙的形象代表。在过去十年间，钱德拉X射线天文台经常协同其他天文望远镜对“蟹状星云”进行联合观测。
研究发现
2021年7月，中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO拉索）成功测量出蟹状星云辐射的最高能量端能谱，实现了前所未有的超高能区（0.3-1.1拍电子伏）的精确测量。
参考资料
[1]
中国科大在蟹状星云辐射精确测量中发挥重要作用 · 人民日报[引用日期2021-07-14]
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