“天眼”看見的脈沖星到底能干啥

任志方

2017年10月10日，中國科學院發布了500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）取得的首批成果：FAST首次發現脈沖星，探測到數十個優質脈沖星候選體，其中6個通過國際認證。這是中國人首次利用自己獨立研制的射電望遠鏡發現脈沖星。

脈沖星剛被發現時差點被當成外星信號

脈沖星的發現還要從50年前說起。1967年，英國劍橋建造了一種新型的射電望遠鏡，其作用是觀測射電輻射受行星際物質的影響。1967年7月，該射電望遠鏡投入使用，由英國天文學家休伊什的女博士喬斯林·貝爾擔任觀測和記錄處理的工作。

貝爾夜以繼日地工作，在大量紛亂的記錄紙帶上仔細摸索射電閃爍信號的特征，這是太陽系帶電介質干擾星空無線電傳播的結果，其流量呈現出秒量級的準周期變化。此現象可以類比于“天上的星星在眨眼”，這源于地球大氣層擾動引發的光學波段的閃爍。

然而，貝爾偶然察覺到一個奇怪而且周期極其規律的“干擾”信號——每隔1.33秒的精準時間的脈沖信號。這令她十分詫異，難道宇宙的“心電圖”存在“人為故意”的鐘表準時效應？休伊什認為這是受到地球某種電波的影響造成的。但是第二天，同一時間同一天區，神秘的脈沖信號再次出現，這就足以證明奇怪的信號并非來自地球，而是來自天外。

觀測數據表明，這個脈沖信號的頻率極其精確；接下來，貝爾和同事又發現不同天區的另外3個周期各異的脈沖信號源。這排除了觀測到的是外星人信號的可能，因為不可能有3個外星人在不同方向同時向地球發射不同的脈沖信號。

經過射電望遠鏡的色散測量，貝爾給出脈沖星距離地球大約幾萬光年的結論，這意味著脈沖信號源于銀河系起源的天體。經過一番努力，貝爾和休伊什在英國《自然》雜志上發表了發現脈沖星的論文，并認為脈沖星就是物理學家預言的超級致密的中子星。

消息很快轟動了世界科學界，這是不曾奢望而極其意外的發現，堪稱20世紀的一個重大發現，為天文學和天體物理研究開辟了新的領域。1974年，休伊什因這項新發現獲得了諾貝爾物理學獎。

自轉速度比木星還快10萬倍

那么，什么是脈沖星？

脈沖星的典型半徑僅有10公里，其質量卻在1.44倍至3.2倍太陽質量之間，是除黑洞之外密度最大的天體。每立方厘米的脈沖星質量達到1億噸，要用1000艘百萬噸級的巨輪才能拖動。

脈沖星就是正在快速自轉的中子星。這樣的中子星由于快速自轉而發出射電脈沖，所以有脈沖星之名。脈沖的周期其實就是脈沖星的自轉周期。

當星體自轉且磁極波束掃過安裝在地面或航天器上的探測設備時，探測設備就能接收一個脈沖信號。原理就像我們乘坐輪船在海里航行看到燈塔一樣。設想一座燈塔內的燈總是亮著且不斷旋轉，每轉一圈，燈光射到船上一次。在我們看來，燈塔的光就連續地一明一滅。脈沖星也是一樣，當它每自轉一周，我們就接收到一次它輻射的電磁波，于是就形成一斷一續的脈沖。

地球每24小時自轉一次，而大多數脈沖星每秒鐘就能自轉一次或多次，有些脈沖星的旋轉速度甚至最高可達每秒100轉。它們的自轉速度比太陽系中轉速最快的木星還快10萬倍。

50年來已有1000多顆脈沖星被發現

銀河系中有大量脈沖星，但由于其信號暗弱，易被人造電磁干擾淹沒，目前只觀測到一小部分。

從第一顆脈沖星“小綠人”被發現到現在，世界各地天文臺已陸續發現1000多顆脈沖星。據估計，在銀河系中，可能有100多萬顆脈沖星。所有新發現的脈沖星的發射周期都以同樣的方式運行，每隔一個特定周期就發射短噪聲脈沖，每顆脈沖星的發射周期都保持不變。

位于貴州省喀斯特洼坑中的FAST望遠鏡與美國阿雷西博望遠鏡，是世界上僅有的兩個利用喀斯特地貌中的天然盆地修建的超大口徑射電望遠鏡。在FAST落成之前，阿雷西博望遠鏡就已經獨霸世界最大口徑射電望遠鏡寶座50多年，利用其超群的靈敏度做出了很多重大天文學發現。

具有極高靈敏度的FAST望遠鏡在調試初期就發現了脈沖星，FAST反射面的口徑很大，所以它的靈敏度很高。FAST最基本的工作原理是，利用拋物面，把來自宇宙深處的星際光聚焦成一個點。射電望遠鏡的口徑越大，聚光能力越強，也就是增益越大，放大倍數越大。

廣義地說，FAST像是一臺收音機，用巨大的天線收聽來自宇宙深處的聲音。很多反射單元構成的相當于30個足球場大小的拋物面，就是FAST的天線。未來，FAST將有希望發現更多守時精準的毫秒脈沖星，將對脈沖星計時陣探測引力波做出前所未有的貢獻。

駛向太陽系之外可以用脈沖星導航

脈沖星的本質是中子星，中子星的密度非常大，相當于1立方厘米的體積上負載了1億噸的質量。這就使得脈沖星具有在地面實驗室無法實現的極端物理性質，是理想的天體物理實驗室。

現在，美國激光干涉引力波天文臺已經直接探測到引力波的存在，并為三位相關科學家贏得了2017年的諾貝爾物理學獎。但脈沖星觀測仍然有機會再次在引力波探測領域一展身手：當引力波掃過地球周圍，將在較大尺度上同時影響多顆脈沖星傳播到地球的信號。如果我們對臨近脈沖星的周期保持長期監測，就有望通過其周期的整體變化規律，探測到掃過銀河系的引力波的存在。

除了密度大，脈沖星的自轉周期極其穩定，它是以相對論的速度轉動，從而可以提供接近原子鐘精度的時鐘信號。

如果我們能完全掌握脈沖星周期的變化規律，脈沖星在未來幾百年還將有一個重要的應用場景：當人類的星艦駛向太陽系之外，脈沖星就成了茫茫星海中名副其實的燈塔。通過對脈沖星周期的監測，星艦可以隨時掌握自身的運動速度，進而推算自己在宇宙中航行的坐標。這就是所謂的脈沖星導航。