毫秒脈沖星極弱信號的檢測與平均脈沖消色散方法研究中文摘要

某些毫秒脈沖星的輻射脈沖周期有極高的穩(wěn)定性，研究表明可作為長期穩(wěn)定度極高的天文時鐘和頻率基準(zhǔn)，也可用來監(jiān)測原子時的長期穩(wěn)定度。高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)對于天體物理學(xué)、測量學(xué)、信息科學(xué)、引力波天文學(xué)、廣義相對論等學(xué)科的研究有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用價值。然而，毫秒脈沖星輻射波到達(dá)地球時的信號極微弱（E-30W，1.5GHz），且常被背景噪聲所淹沒，檢測十分困難；體現(xiàn)毫秒脈沖星高穩(wěn)定性的平均脈沖受色散等因素

磁場既然是普遍存在的，通過大量的天文觀測和研究，認(rèn)識到的最強(qiáng)磁場存在于脈沖星中。脈沖星又稱中子星，是恒星演化到晚期的一類星體。根據(jù)天體演化過程，一般恒星演化到晚期時，由于原子核聚變產(chǎn)生高熱能所需的核聚變物質(zhì)已經(jīng)用盡，熱能劇減，恒星物質(zhì)的引力便使星體收縮，體積變小，而恒星磁場便因恒星收縮和磁通密度變大而增強(qiáng)。這樣，演化到晚期的恒星磁場便急劇大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁場劇增到約10^3~10^4特[斯拉](T），而演化到晚期的脈沖星(中子星）的磁場更劇增到約10^8~10^9特[斯拉]，分別比太陽磁場增加約千萬到億倍（10^7~10^8倍）和約萬億到10萬億倍（10^12~10^13倍）。例如圖5便是在地球高空觀測到的武仙星座X-1脈沖星（中子星）發(fā)射的X射線譜。進(jìn)一步研究認(rèn)識到這一發(fā)射的X射線譜是由于X-1脈沖星的電子流在磁場中的回旋運(yùn)動產(chǎn)生的，而譜線的吸收峰便是電子流在磁場中的回旋共振峰。由回旋共振的位置（X射線的能量）便可計(jì)算出回旋共振的磁場的強(qiáng)度約5×10^8T。這樣強(qiáng)的磁場是科學(xué)技術(shù)在地球上遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的，科學(xué)技術(shù)在地球上所能得到的磁場的強(qiáng)度僅約10^2T，兩者相差約百萬倍（10^6倍）。

根據(jù)對各處宇宙磁場的觀測，各種星體的磁場都高于星體之間的星際空間的磁場。例如，在太陽系中各行星之間的行星際磁場約為1×10^-9~5×10^-9特[斯拉](T），即約為地球磁場的十萬分之一（10^-5）。在各個恒星之間的恒星際空間的恒星際磁場，常簡稱星際磁場，比行星際磁場更低，大約為5×10^-10~10×10^-10特[斯拉](T），即約為行星際磁場十分之一（10^-1），也就是約為地球磁場的百萬分之一（10^-6）。恒星際（空間）磁場主要是應(yīng)用恒星光的偏振觀測和恒星射電（無線電波）的塞曼效應(yīng)（即無線電波在磁場中分裂而改變頻率）觀測及維持銀河星系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理論計(jì)算等來測定或估算恒星際磁場。由現(xiàn)代多方面的天文觀測知道，由大量的恒星形成星系，例如太陽便是銀河星系中的一個恒星，而銀河星系以外的宇宙空間中還有更多更多的星系。星系與星系之間的空間稱為星系際空間，根據(jù)多方面的天文觀測的間接推算和理論估計(jì)，星系際空間的磁場約為10^-13~10^-12特[斯拉](T），即約為行星際磁場的萬分之一到千分之一（10^-3~10^-2）。恒星際磁場大約相當(dāng)于人的心（臟）磁場（約百億分之一T），而星系際磁場大約相當(dāng)于人的腦（部）磁場（約萬億分之一T），甚至低于腦（部）磁場。

從上面宇宙磁現(xiàn)象的介紹可以看出，宇宙磁現(xiàn)象是宇宙空間到處都存在的，而且許多宇宙磁現(xiàn)象還同科學(xué)研究和我們生活有著密切的關(guān)系，還有著遠(yuǎn)比我們在地球上接觸到的磁場更強(qiáng)和更弱的磁場。

組成物質(zhì)的分子可分為有極分子和無極分子。有極分子中，正負(fù)電荷的“中心”不集中在一點(diǎn)，因此形成一對距離很近的等值異號電荷所構(gòu)成的等效電偶極子，其固有的電偶極矩為p=ql，電偶極子所產(chǎn)生的電場完全由它們的電偶極矩p決定。電偶極子在外電場中所受到的作用力也決定于它的電偶極矩。無極分子中，正負(fù)電荷的“中心”集中在一點(diǎn)，因此，分子的電偶極矩為零，對外也不產(chǎn)生電場。在有外電場的情況下，無論是有極分子或是無極分子，都會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，并存在電偶極矩之間的相互作用力。

對無極分子及惰性氣體而言，原子結(jié)晶體的結(jié)合力為共價鍵，共價鍵是決定物質(zhì)分子化學(xué)性質(zhì)的主要因素。分子晶體的結(jié)合力是范德瓦耳斯力，對無極分子來說就是色散力，按照倫敦提出的范德瓦耳斯力的量子理論，無極分子的電子云分布是球形對稱的，固有電矩為零。因此，它們之間的相互作用能亦為零。這徉無極分子之間似乎就不存在什么作用，但實(shí)際不然，例如室溫下漠是液體，碘、蔡是固體，H₂、0₂、N₂等無極分子在低溫下也會被液化或固化，這些物質(zhì)能維持某種聚集狀態(tài)，說明無極分子之間存在著一種相互作用力，這種力就是色散力。

雖然無極分子電子云是球形對稱分布，不顯示出固有電矩，這不過表示在原子核外的四周出現(xiàn)電子的概率相等，即在某段時間內(nèi),電偶極矩的統(tǒng)計(jì)平均值等于零。但由于每個分子中的電子不斷運(yùn)動和原子核的不斷振動，經(jīng)常發(fā)生電子云和原子核之間的瞬時相對位移，使分子的正、負(fù)電荷“中心”暫時不重合，產(chǎn)生瞬時偶極矩，而且兩個瞬時偶極矩必然是采取異極相鄰的狀態(tài)，這些瞬時偶極矩可以相互作用，相互極化而產(chǎn)生吸引力，這種吸引力如果用帶電粒子的線諧振子代表瞬時偶極矩,用量子力學(xué)可以證明：

1)兩振子無相互作用時，即當(dāng)兩個諧振子平衡點(diǎn)(正電荷所處位置)之間的距離

2)兩振子有相互作用時，系統(tǒng)的能量為

比較1)、2)式可以看出，兩振子相互作用后,能量降低了，降低的數(shù)值為：

其中a為極化系數(shù),，h為普朗克常數(shù)，v₀為振子的振動頻率。兩振子才能相互作用，表現(xiàn)出它們之間的吸引力。因?yàn)樗cv₀有關(guān)，故稱為色散力。無極性物質(zhì)分子之間正是由于色散力的作用才能凝聚為液體，凝固為固體。因此，色散力是決定無極性分子物質(zhì)物理性質(zhì)的主要因素。

從上面分析中知道，無論在哪種情況下，由于無極分子瞬時偶極矩的產(chǎn)生，它所具有的電勢能、排斥能都大于吸引能按照能量最小原理，即原子中每一個電子都有一個趨勢，占據(jù)能量最低的能級，當(dāng)原子中電子的能量最小時，整個原子的能量最低，原子即處于穩(wěn)定狀態(tài)。因?yàn)槟芰孔钚≡砭哂衅毡橐饬x，當(dāng)原子與原子、離子與離子、分子與分子結(jié)合時，同樣遵循這一原理，所以，分子具有的吸引能(W)的概率大于它所具有的排斥能的概率。正因?yàn)闊o極分子之間具有最小的吸引能，即最小結(jié)合能，所以無極分子可以結(jié)合成分子晶體。