X射线脉冲星

白矮星-内部结构模型图　　由卫星发现的X射线源有一半以上是在银河系内，其余的则是活动星系的核心或星系团中的高温气体。银河系内的源大部分都与不同形式的坍缩恒星有关：膨胀到星际空间的超新星遗迹，白矮星，更重要的是包含中子星的双星系统。

titlename　　1971年初，乌呼鲁探测到半人马座X──3。这是一个变化的X射线源，平均光度比太阳在所有波段的辐射还要强1万倍。此外，半人马座X──3的辐射还有周期为484秒的规则脉冲，这样短的周期表明，它像射电脉冲星一样是一颗快速转动的中子星。但是，它又与射电脉冲星不同，其辐射每隔2087天会停止将近12小时，这意味着这个源是一个掩食双星系统的成员，每当它转到那颗大的伴星背后，辐射就被遮挡。一个崭新而富有成果的天文学分支由此开始，这就是双星X射线源的研究。

　　半人马座X－3之后，又有许多别的X射线脉冲星接理而至，其中最有趣的一个是武仙座X—l，它的脉冲周期是1．24秒，它的双星性则已由几种相互独立的方法证实。首要地，X射线辐射每1．7天被遮挡6小时，此外，对X射线辐射到达时间的极为精确的测量表明，在1.24秒这个平均周期值附近还有着规则的振荡。脉冲周期值的移动是由X射线源绕伴星的轨道运动造成的，由此推算的轨道周期与掩食周期精确相符。为进一步证实，又作了非常精细的光学测量，果然在可见光波段找到了伴星，它也是每1．7天被掩食1次。武仙座X －l就成了一颗被反过来发现的光谱双星，因为是先由X射线辐射发现致密子星，然后再找到“正常”的光学子星。

脉冲星/中子星-内部结构模型图　　一个重要的线索来自所有这类双星都有很短的轨道周期这一事实。这就是说两颗子星之间的距离非常小，于是中子星就能够用一种“引力吸尘器”来捕获伴星的物质，道理如下：由单个恒星周围那些引力场相等值的点组成的面，即所谓等势面，都是以恒星为中心的球面。双星系统的等势面就要复杂得多，其中有一个是两颗子星的引力相抵消的面，它的形状像阿拉伯数字8，每个圈都包围着一颗星。它被称为洛希瓣，因为法国蒙特佩列大学的数学家挨多瓦·洛希（EdouardRoche）于1850年首先研究了这个问题。中子星这样的致密星可以被简单地看作洛希瓣里的点源，而非坍缩恒星就可以占领它的瓣的大部分，甚至像红巨星那样的情况还会超出它的孤X射线脉冲星如半人马座X──3和武仙座X－1，可以被解释为这样的双星系统，其中一个子星是中子星，另一个是充满了自己洛希瓣的巨星。后者很容易丢失物质，主要是在两个瓣相连接的点上丢失。气体物质从一个瓣进入另一个后，就处在中于星的控制之下。对于半人马座X──3可以估算出，每年有相当于一个月亮的物质被从巨星转移到致密星上。

　　像射电脉冲星一样，X射线脉冲星的中子星也在快速自转，并有很强的磁场，磁轴相对于自转轴有偏斜。来自伴星的气体并不会直接落向中子星，而是被离心力拖曳而作缓慢的“螺旋线”运动，于是气体就会形成一个薄薄的吸积盘。在磁场能量开始超过气体转动能的地方，吸积盘被破坏，盘中物质被提出来，沿磁力线落向中子星的磁极。

　　X射线是由气体对中子星的固体外壳的撞击而产生的。联想到水力发电的原理，就容易理解引力场如何能把自己的能量转变成辐射。水从足够高处落下时会把势能转变成动能，于是以很高的速度撞击涡轮机叶片，把自己的动能转变成转动机械能，机械能又通过磁感应最后转变成电能和辐射。整个过程的原动力是地球的引力场，类似的过程也在中子星的表面发生。当然，引力场越强，下落一段给定距离时引力能转变为辐射的效率就越高。一只10克的球由高处落到地面，只释放很少一点热和红外辐射。如果它是落到白矮星表面，则释放的引力能将会大得多，它将发出可见光和紫外辐射。中子星表面的引力更强，自由下落速度达到10万公里/秒，10充气体撞击中子星表面时以X射线辐射形式释放的能量相当于扔在广岛的原子弹。

　　在X射线脉冲星内，每秒钟有1亿吨气体落到中子星的磁极上，磁极区的直径约为1公里，被加热到1亿度的高温，发射的X射线光度比太阳在所有波段的总光度大1万倍。脉冲现象当然也和射电脉冲一样是由于中子星自转对辐射束的调制

　　（1）基于事先建立的脉冲星TOA预测模型（SSB:Solar System Barycenter 惯性系下）计算脉冲到达航天器相对其到达SSB的时间差值，即计算TDOA(Time Difference of Arrival)。

    （2）确定航天器在该脉冲星方向上相对于SSB的位移。融合多颗X射线脉冲星方向上的位移即可确定航天器的空间位置。

    （3）地球大气层对脉冲星辐射的X频段电磁波具有衰减作用，因此XPPD技术适用于近地轨道、地球同步轨道、大椭圆地球轨道及星际空间飞行的航天器的导航定位。

     由于许多脉冲星距离太阳系非常遥远，认为在太阳系中观测X射线脉冲星的方向矢量为常数，如果不考虑相对论误差等因素，做垂直于脉冲星方向且到SSB点的距离为TDOA乘以光速的平面，则航天器应在该平面上。

国外

1974年，美国的德恩斯博士首次提出来基于射电脉冲星的行星际飞行航天器自主轨道确定方法。

X射线脉冲星1993年，美国海军研究实验室的伍德博士提出了利用X射线源测定航天器轨道和姿态以及利用X射线脉冲星进行时间保持的综合方法。

2004年初，美国国防部国防预先研究项目局（DARPA）提出了“基于X射线源的自主导航定位”（XNAV）研究计划。

2004年8月，美国航空航天局（NASA）和海军天文台等多家单位着手拟定和启动脉冲星导航的研究计划，同时X射线脉冲星导航也已纳入国防部长期发展战略规划。

2005年2月，DARPA提出后续几年XNAV项目研究经费预算额将逐年增加，持续开展脉冲星导航的理论方法、关键技术和原理样机研制等方面的研究工作。

国内

1992年，北京天文台成功研制了脉冲星单通道观测系统，在国内首次观测到了射电脉冲星。

1996年，乌鲁木齐天文站开始启用25米的射电望远镜观测脉冲星，并积极拓展国际合作观测研究，目前已观测到数十颗脉冲星，对射电脉冲星的周期数、周期跃变、自旋速率、脉冲轮廓、星际闪烁和频谱特性等方面进行了研究。

XX中心的专家开展了毫秒脉冲星时间计量的理论分析研究工作。

我国已立项研制500米口径球面射电望远镜（FAST），其性能指标优于美国阿雷西博射电望远镜。FAST建成必将增强我国巡天观测脉冲星的能力。

我过已立项研制硬X射线调制望远镜（HXMT）,预计于2010年发射，将对X射线脉冲星进行自主观测，建立X射线脉冲星的观测数据库。