“超級大鍋”火眼金睛 再次捕捉到“來自星星”的訊息

張軒中

2018年4月28日，中國科學院國家天文臺在貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）首次發現了毫秒脈沖星，并且這個結果得到了國際認證。這一重要成果，引起科學界及媒體廣泛關注，那么，這到底是怎么一回事呢？

FAST射電望遠鏡，就像一臺黑白電視機

不知道你們的爸爸媽媽有沒有講過他們小時候家里的黑白電視機，那時候沒有有線電視，接受電視信號主要靠家外面的那根毛竹天線。黑白電視機上經常會出現很多雪花，這些雪花其實就是射電信號。

在貴州平塘縣克度鎮的500米球面射電望遠鏡，其實本質上就好像一臺黑白電視機，它也可以接收到很多“雪花”——這些信號來自遙遠的外太空。

FAST是我國的一個重大科研項目，總投資額在10億元左右，從某種意義上來說，它相當于我們國家有了自己的“天眼”，其意義非同小可。除了接收宇宙天體發射來的射電信號，其實只要稍加改造，它還可以當雷達用，天上的隱形飛機反射的雷達信號也是可以被它“看到”的。

脈沖星，如同游樂場里規律掃射的探照燈

很多人可能不知道，FAST射電望遠鏡擔負的一個重要科研目標是探測更多的脈沖星。

那么，什么是脈沖星呢？

顧名思義，這里“脈沖”的含義可理解成如脈搏一樣的沖擊，只不過我們人類的脈搏一般固定在每秒跳1次左右，而大部分脈沖星的“脈搏”比人類的脈搏要快得多。脈沖星就是指不斷發出電磁脈沖信號的星體。

脈沖星的脈搏是怎么產生的呢？

這個問題其實不難回答，因為它與宋朝的沈括在《夢溪筆談》中談到的“地磁偏角”有相似點。

地磁的北極與地理的南極并不完全重合，它們之間的夾角就是地磁偏角。當地球自轉的時候，地球的磁場也會跟著旋轉。

對于脈沖星來說，情況也是類似的。只不過脈；中星其實是一種中子星。脈沖星就是自轉軸方向與磁軸方向有交角的中子星（一種介于白矮星和黑洞之間的星體）。

中子星與地球一樣，也有磁偏角，因此中子星轉起來會發出電磁脈沖——從中子星磁場的南北極射出來，角度如果正好對準地球的話，中子星每自轉1周，這個輻射就會掃到地球1次。這種情況非常像是一個放在游樂場摩天輪上的探照燈，摩天輪旋轉起來的時候，探照燈發出的光會不停掃過摩天輪邊上的海盜船，每次掃過海盜船的時間間隔就被稱為周期。

毫秒脈沖星，上演比芭蕾舞演員更厲害的旋轉

前面已經說到，脈沖星其實是中子星，而中子星的質量不能太大——太大了就會變成黑洞。根據美國的“原子彈之父”羅伯特·奧本海默等人的計算，中子星的質量一般是2倍太陽質量左右。中子星絕大部分是中子，中子與中子就好像乒乓球一樣堆在一個房間里，中間沒有什么空隙。所以，中子星的密度非常大，這使得中子星的半徑很小，一般只有20千米。那么小的一個中子星，自轉起來的角速度便可以非常大。

但中子星也不能轉得太快，因為轉得再快也不會超過光速，這樣就給出了中子星的角速度上限。根據牛頓萬有引力以及圓周運動的公式，就可以估算出中子星最快能旋轉的周期是0.5毫秒——也就是大概每秒自轉2000轉。一個芭蕾舞演員每秒能原地轉3圈，而一個中子星最快每秒能轉2000轉，所以這是很厲害的了。

也正因為如此，在太空中存在大量的脈沖星，它們以相當快的速度自轉，大概每秒轉1000轉，也就是說周期是1毫秒——因此，這樣的脈沖星就被稱為“毫秒脈沖星”。

根據能量守恒定律，脈沖星不可能一直輻射能量而不損失能量。脈沖星損失的正是它的自轉動能，這也將導致它的周期逐漸變長，最終進入脈沖星“墳墓區”。進入墳墓之前，脈；中星的輻射會變得時有時無，最終進入墳墓“死去”，不再發出輻射。不過“墳墓區”僅僅只是理論研究結果，實際上也有“僵尸”脈沖星存在（處在墳墓中但仍然發出信號）。

有一部分脈沖星比較幸運，它們邊上有另外一顆恒星。這就是雙星中的脈沖星。這些脈沖星，當距離邊上的恒星足夠近時，可以通過吸收對方的物質來“抵抗衰老”。在吸收物質的過程中，這些脈沖星的自轉速度會越來越快，脈沖信號的周期隨之變短，它們的周期變化率也會變小，即周期更加穩定。它們就這樣靠著他星的能量，慢慢地從“正常脈沖星”，最終演變成為一顆毫秒脈沖星。

FAST是中國擁有的探測宇宙的最好儀器，發現毫秒脈沖星這確實是一件可喜可賀的大事。這個500米口徑的射電望遠鏡發現毫秒脈沖星是非常重要的進展，因為我們中國之前有口徑為5米、20米、100米射電望遠鏡，但都沒有發現過毫秒脈沖星，這展示了FAST在脈沖星搜尋方面的重大潛力。這顆毫秒脈沖星J0318+0253的周期為5.19亳秒，它的發現，相當于我們在天空中找到了一個精確的時鐘。同時，此次發現還大幅度提高了脈沖星陣探測引力波的靈敏度，為進一步探測引力波提供更多可能。

FAST目前還在調試階段，還沒有正式服役，就能有此突破可喜可賀，希望FAST能有更多新的科學發現。