脈沖星“動物園”

王洪光

脈沖星：從外星人信號到中子星再到夸克星

1967年，英國劍橋大學的博士研究生喬絲琳·貝爾本打算用一架新建成的射電望遠鏡，通過天體的閃爍（類似星星眨眼睛的現象）來研究類星體，卻無意間發現了一種快速的周期性脈沖信號。開始，她和導師休伊斯教授并不知道那是什么，甚至一度懷疑它們是不是外星人發出的信號，但很快，他們確認那是一種從未被發現過的天體，于是命名為脈沖星。1968年，人們終于明白脈沖星應該就是1932年蘇聯物理學家朗道預言的由中子構成的天體——中子星。脈沖星的脈沖周期也就是自轉周期。快速自轉的中子星從磁場的兩極發出光束，如果光束能夠掃過地球，我們就能接收到周期性的“閃光”，仿佛宇宙中一閃一閃的“燈塔”。

中子星從何而來？根據恒星演化理論，它的前身是較大質量的恒星;恒星在其“生命”的終點通過劇烈的超新星爆發，把大部分的外圍物質炸飛，形成絢麗的超新星遺跡。其核心物質則在強大的引力作用下被壓縮成密度極高的天體。如果核心區域物質低于3倍太陽質量，引力將把它們擠壓到半徑10千米左右的球里，形成中子星。中子星在引力場、磁場和電場強度以及物質密度等方面都遠遠超過它的父輩恒星，是宇宙中不折不扣的超高能和強引力物理實驗室。

如前文所述，在脈沖星發現之初，人們相信脈沖星就是中子星。然而40多年來的理論研究表明，脈沖星也可能是中子星的“孿生兄弟”—夸克星。要理解這一點，不妨回顧一下歷史。

中子星的概念源于一個大膽的猜想。1932年中子被發現后，朗道就猜想這種不帶電荷的基本粒子能夠靠核力粘在一起，形成所謂的中子星。不久，中子星被從理論上證明是可以穩定存在的，隨后30多年恒星理論的研究則向人們揭示了中子星是恒星演化的終極產物之一。但20世紀50年代以后，人們對“中子是一種最基本的粒子”的看法漸漸有了變化，一些實驗表明它和質子一樣，可能是由更小的基本粒子構成的。1964年，美國物理學家蓋爾曼和茨威格各自獨立地提出中子和質子是由夸克構成的。4年后，這種粒子果真在美國斯坦福大學的粒子加速器中被發現了。很快，1969年，蘇聯物理學家伊萬年科（Ivanenko）和庫爾杰萊澤（Kurdgelaidze）猜想中子星的核心可能是由夸克，而不是由中子組成的;此后，完全由夸克構成的星星——夸克星的概念出現了，成了理論家們探險的新樂園。一種粒子的發現催生由這種粒子構成的天體的猜想，歷史有時候是如此的相似。

理論上，中子星和夸克星都能在超新星爆發中誕生，它們都能產生射電脈沖等非常相似的現象，那么，如何證明脈沖星是中子星還是夸克星，或者說夸克星是否真的存在，成了脈沖星研究領域極具挑戰性的難題之一。盡管夸克星在物理性質上和中子星還是有差別的，但人們一直沒有找到觀測證據。如果FAST能夠找到夸克星，將是舉世矚目的發現，能夠為研究基本粒子的強相互作用和夸克團塊物質性質提供重要的實驗依據。

FAST射電望遠鏡

它是目前世界上在建的最大的射電望遠鏡，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣。直徑500米，比目前的紀錄保持者—美國阿雷西博305米射電望遠鏡還要大得多。FAST射電望遠鏡的探測本領高強，脈沖星是FAST的核心科學目標之一。按照計劃，FAST將于明年9月建成，將使人們得以建立更為完善的脈沖星“動物園”，并用脈沖星作為工具探尋宇宙的基本規律，拓展人類的認知疆界。

形形色色的脈沖星

截至目前，人們已經發現了2500多顆脈沖星。脈沖星一個突出的特點是自轉很快，最慢的十幾秒轉一圈，最快的每秒轉動716圈，比F1賽車發動機的最高轉速還要快將近兩倍。如果問宇宙中磁場最強的天體是什么？非脈沖星莫屬，因為它們星體表面的磁場能達到幾千到幾千億特斯拉，超過所有已知的天體。很多人對特斯拉這個磁場單位沒有概念，舉個例子，生活用品中常見的小磁鐵表面磁場一般在1特斯拉左右，脈沖星磁場之強可見一斑。

天文上經常把品種豐富的一大類天體稱為某某動物園，例如星系動物園、脈沖星動物園等。經過人們40多年的觀測，脈沖星動物園中已經有近十個品種。下面我們就來看看幾種最有用處或最奇特的脈沖星吧。

毫秒脈沖星：

最精密的時鐘

按照自轉周期的差別，脈沖星通常被分為正常脈沖星和毫秒脈沖星。前者的自轉周期要長于幾十毫秒，磁場較強，后者的自轉周期短于幾十毫秒，磁場較弱，并且都非常年老。已知的200多顆毫秒脈沖星有80%左右位于雙星系統中。一般認為，雙星系統中的毫秒脈沖星是由正常脈沖星吞噬伴星的氣體，自轉被加速而形成的。

絕大部分脈沖星的自轉都在變慢，整體上有很好的規律性。不過，通過長期的監測，人們發現大多數脈沖星的自轉減慢有種種不規則的行為，難以做高精度的預測。只有少數毫秒脈沖星非常穩定，其中的一些比地面上最精確的氫原子鐘“走時”還準。大自然賜予了如此精密的時鐘，天文學家們自然要充分發揮它的作用。例如，它們可以用來發展獨立的脈沖星時間標準，用來校準我們常用的、基于原子鐘的授時系統;可以用來測量太陽系行星的質量;還可以用來捕捉引力波，等等。

磁星：

可能是宇宙中磁場最強的天體

磁星是20世紀70年代X射線和伽馬射線衛星探測到的兩種特殊天體的統稱，最初并不叫磁星，而是兩個讓普通人望而生畏的名字——反常X射線脈沖星和軟伽馬射線重復暴。它們有一個非常吸引天文學家眼球的特點，即它們的X射線或伽馬射線的輻射功率遠遠超過星體的自轉動能變化所提供的功率，聽起來就像收入微薄的窮人卻過著揮金如土的富豪生活。額外的能量從何而來？一直是個謎。

1992年，美國的天文學家鄧肯和湯普森提出猜想，認為這些額外的能量來自于巨大的磁場能量的釋放。這要求星體表面磁場超過44億特斯拉，遠強于普通脈沖星，所以他們給這種天體起了“磁星”的名字。對理論家們來說，磁星有難以抵擋的吸引力，因為超強磁場中物質的行為是過去鮮有人挖掘的金礦，也不可能有地面實驗條件。磁星提供了絕好的研究機遇。但是反對的聲音不絕于耳，有人認為這些能量可能是中子星吞噬環繞在它周圍的氣體而產生的，而中子星本身并沒有超強磁場。有關磁星的發現也是NASA等機構的科學新聞的寵兒，大眾由此對磁星這個名字漸漸熟悉。迄今為止，人類已發現的磁星有28顆，如果將來證實它們確實具有超強磁場，無疑是宇宙中磁場最強的一批天體。

消零脈沖星：

輻射是間歇性“發作”

大部分脈沖星都在持續地發出射電脈沖，但是有一部分脈沖星的輻射卻是間歇式的。其中數量較多的一種叫消零脈沖星，目前發現了約200個。這種脈沖星的輻射通常會持續一段時間，然后沉寂數秒到數十分鐘，此為脈沖消零現象。大多數消零脈沖星沉寂的時間比例不超過20%，極個別能達到90%左右。2006年，人們發現了一個極端品種，名叫自轉射電暫現源（縮寫為RRATs，類似老鼠的英文發音），每次只發出一個持續幾毫秒的脈沖信號，然后沉寂幾分鐘到幾個小時，再發出下一個。另外一個叫作間歇脈沖星的極端品種，沉寂的時間要長得多。例如一顆名為PSR B1937+21的脈沖星，通常“工作”5～10天（有輻射），然后“休息”4～5周（無輻射）;有的脈沖星“休息”的時間更長。

]脈沖星個頭雖小，但是能量很大，現象很豐富，品種很多。尤其重要的是，對脈沖星的研究有可能助科學家取得對微觀世界和宏觀世界基本規律的深刻認識。在過去的40多年，脈沖星的發現（1974年）和脈沖雙星間接驗證引力波理論（1993）分別被授予諾貝爾物理學獎。未來的脈沖星研究仍可能有諾貝爾獎量級的重要發現。