X射線脈衝星
簡介
具有短周期的X射線脈衝的天體,脈衝周期極短而且穩定。明顯的例子是武仙座 X-1（脈衝周期掦=1.24秒）和半人馬座X-3。現已證認出，這一類X射線源是密近雙星。它們各由兩個子星組成，一個是中子星，另一個是光學子星。光學子星通過洛希瓣（見臨界等位面）外流和星風等形式不斷向外拋射物質。中子星吸積由光學子星發出的物質。中子星的引力場很強，吸積到中子星的物質可以獲得很大的動能，在中子星表面轉化為 X射線輻射──熱軔致輻射。X射線輻射的短周期脈衝結構就是由中子星的自轉引起的。目前已觀測到的這類 X射線脈衝星周期最短的是0.7秒，最長的可達835秒，比射電脈衝星的周期要長。絕大多數 X射線脈衝星有明顯的射電輻射。觀測得知，絕大多數射電脈衝星不發射X射線,只有蟹狀星雲脈衝星發出很強的 X射線脈衝輻射，因此它也是X射線脈衝星。但蟹狀星雲脈衝星與上述的X射線脈衝星不同，它不屬於雙星X射線源，而且它的X射線輻射機制是非熱性質的。基本內容
中子星-內部結構模型圖半人馬座X－3之後，又有許多別的X射線脈衝星接理而至，其中最有趣的一個是武仙座X—l，它的脈衝周期是1．24秒，它的雙星性則已由幾種相互獨立的方法證實。首要地，X射線輻射每1．7天被遮擋6小時，此外，對X射線輻射到達時間的極為精確的測量表明，在1.24秒這個平均周期值附近還有著規則的振盪。脈衝周期值的移動是由X射線源繞伴星的軌道運動造成的，由此推算的軌道周期與掩食周期精確相符。為進一步證實，又作了非常精細的光學測量，果然在可見光波段找到了伴星，它也是每1．7天被掩食1次。武仙座X－l就成了一顆被反過來發現的光譜雙星，因為是先由X射線輻射發現緻密子星，然後再找到“正常”的光學子星。
輻射機制
一個重要的線索來自所有這類雙星都有很短的軌道周期這一事實。這就是說兩顆子星之間的距離非常小，於是中子星就能夠用一種“引力吸塵器”來捕獲伴星的物質，道理如下：由單個恆星周圍那些引力場相等值的點組成的面，即所謂等勢面，都是以恆星為中心的球面。雙星系統的等勢面就要複雜得多，其中有一個是兩顆子星的引力相抵消的面，它的形狀像阿拉伯數字8，每個圈都包圍著一顆星。它被稱為洛希瓣，因為法國蒙特佩列大學的數學家挨多瓦·洛希（EdouardRoche）於1850年首先研究了這個問題。中子星這樣的緻密星可以被簡單地看作洛希瓣里的點源，而非坍縮恆星就可以占領它的瓣的大部分，甚至像紅巨星那樣的情況還會超出它的孤X射線脈衝星如半人馬座X──3和武仙座X－1，可以被解釋為這樣的雙星系統，其中一個子星是中子星，另一個是充滿了自己洛希瓣的巨星。後者很容易丟失物質，主要是在兩個瓣相連線的點上丟失。氣體物質從一個瓣進入另一個後，就處在中於星的控制之下。對於半人馬座X──3可以估算出，每年有相當於一個月亮的物質被從巨星轉移到緻密星上。
像射電脈衝星一樣，X射線脈衝星的中子星也在快速自轉，並有很強的磁場，磁軸相對於自轉軸有偏斜。來自伴星的氣體並不會直接落向中子星，而是被離心力拖曳而作緩慢的“螺旋線”運動，於是氣體就會形成一個薄薄的吸積盤。在磁場能量開始超過氣體轉動能的地方，吸積盤被破壞，盤中物質被提出來，沿磁力線落向中子星的磁極。
相關原理
X射線是由氣體對中子星的固體外殼的撞擊而產生的。聯想到水力發電的原理，就容易理解引力場如何能把自己的能量轉變成輻射。水從足夠高處落下時會把勢能轉變成動能，於是以很高的速度撞擊渦輪機葉片，把自己的動能轉變成轉動機械能，機械能又通過磁感應最後轉變成電能和輻射。整個過程的原動力是地球的引力場，類似的過程也在中子星的表面發生。當然，引力場越強，下落一段給定距離時引力能轉變為輻射的效率就越高。一隻10克的球由高處落到地面，只釋放很少一點熱和紅外輻射。如果它是落到白矮星表面，則釋放的引力能將會大得多，它將發出可見光和紫外輻射。中子星表面的引力更強，自由下落速度達到10萬公里/秒，10充氣體撞擊中子星表面時以X射線輻射形式釋放的能量相當於扔在廣島的核子彈。
在X射線脈衝星內，每秒鐘有1億噸氣體落到中子星的磁極上，磁極區的直徑約為1公里，被加熱到1億度的高溫，發射的X射線光度比太陽在所有波段的總光度大1萬倍。脈衝現象當然也和射電脈衝一樣是由於中子星自轉對輻射束的調製。
定位原理
（1）基於事先建立的脈衝星TOA預測模型（SSB:SolarSystemBarycenter慣性系下）計算脈衝到達太空飛行器相對其到達SSB的時間差值，即計算TDOA(TimeDifferenceofArrival)。
（2）確定太空飛行器在該脈衝星方向上相對於SSB的位移。融合多顆X射線脈衝星方向上的位移即可確定太空飛行器的空間位置。
（3）地球大氣層對脈衝星輻射的X頻段電磁波具有衰減作用，因此XPPD技術適用於近地軌道、地球同步軌道、大橢圓地球軌道及星際空間飛行的太空飛行器的導航定位。
由於許多脈衝星距離太陽系非常遙遠，認為在太陽系中觀測X射線脈衝星的方向矢量為常數，如果不考慮相對論誤差等因素，做垂直於脈衝星方向且到SSB點的距離為TDOA乘以光速的平面，則太空飛行器應在該平面上。
研究現狀
國外
1974年，美國的德恩斯博士首次提出來基於射電脈衝星的行星際飛行太空飛行器自主軌道確定方法。
1993年，美國海軍研究實驗室的伍德博士提出了利用X射線源測定太空飛行器軌道和姿態以及利用X射線脈衝星進行時間保持的綜合方法。
2004年初，美國國防部國防預先研究項目局（DARPA）提出了“基於X射線源的自主導航定位”（XNAV）研究計畫。
2004年8月，美國航空航天局（NASA）和海軍天文台等多家單位著手擬定和啟動脈衝星導航的研究計畫，同時X射線脈衝星導航也已納入國防部長期發展戰略規劃。
2005年2月，DARPA提出後續幾年XNAV項目研究經費預算額將逐年增加，持續開展脈衝星導航的理論方法、關鍵技術和原理樣機研製等方面的研究工作。
國內
1992年，北京天文台成功研製了脈衝星單通道觀測系統，在國內首次觀測到了射電脈衝星。
1996年，烏魯木齊天文站開始啟用25米的射電望遠鏡觀測脈衝星，並積極拓展國際合作觀測研究，目前已觀測到數十顆脈衝星，對射電脈衝星的周期數、周期躍變、自旋速率、脈衝輪廓、星際閃爍和頻譜特性等方面進行了研究。
XX中心的專家開展了毫秒脈衝星時間計量的理論分析研究工作。
我國已立項研製500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），其性能指標優於美國阿雷西博射電望遠鏡。FAST建成必將增強我國巡天觀測脈衝星的能力。
我過已立項研製硬X射線調製望遠鏡（HXMT）,預計於2010年發射，將對X射線脈衝星進行自主觀測，建立X射線脈衝星的觀測資料庫。
