探尋脈沖星的奧秘

喻業(yè)釗

脈沖星，就是旋轉(zhuǎn)的中子星，因不斷地發(fā)出電磁脈沖信號(hào)而得名。脈沖星的周期性使它成為天文學(xué)家非常有用的工具。利用脈沖星在二元中子星系統(tǒng)中的觀測(cè)，間接證實(shí)了引力輻射的存在。在FAST望遠(yuǎn)鏡的幾個(gè)科學(xué)目標(biāo)中，其中一個(gè)比較重要的觀測(cè)對(duì)象就是脈沖星。

脈沖雙星藝術(shù)圖，其中的脈沖星帶有2 條輻射束，另一顆中子星則沒有。要注意這樣畫只是為了區(qū)分脈沖星和中子星，實(shí)際上中子星也有2 條輻射束，只是它的輻射束不掃過(guò)地球。圖中綠色網(wǎng)格表示的是四維時(shí)空。時(shí)空在2 顆星運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中被扭曲，這種扭曲會(huì)以波的形式傳播出去，亦即“引力波”。

特殊的中子星

1932年，物理學(xué)家詹姆斯·查德維克發(fā)現(xiàn)了中子。1934年，天文學(xué)家便預(yù)言了“超新星爆炸可能會(huì)產(chǎn)生中子星”。我們知道，原子由電子、質(zhì)子和中子組成。其中，電子帶一個(gè)負(fù)電荷，質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，而中子不帶電。如果恒星的質(zhì)量足夠大，其生命最終階段會(huì)發(fā)生超新星爆炸。超新星爆炸后，可能會(huì)留下一個(gè)致密的核心。若它爆炸之后留下來(lái)的核心的質(zhì)量超過(guò)大約1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量（錢德拉塞卡極限）、小于大約2倍太陽(yáng)質(zhì)量（奧本海默極限），則核心的質(zhì)子和電子會(huì)在強(qiáng)大的引力的作用下合并為中子，最終塌縮成一顆主要由中子組成的星星，稱之為“中子星”。不過(guò)，在理論預(yù)言有中子星之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，天文學(xué)家并沒有觀測(cè)到這一天體。直到1967年，當(dāng)時(shí)還是研究生的喬瑟琳·貝爾在處理行星際閃爍觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)候，無(wú)意間發(fā)現(xiàn)了一個(gè)周期性很強(qiáng)的脈沖信號(hào)，后來(lái)這一信號(hào)被論證為來(lái)自中子星的輻射。而這種發(fā)出周期性脈沖信號(hào)的中子星，被天文學(xué)家稱為“脈沖星”。

脈沖星是中子星，而中子星不一定是脈沖星。

我們看到的星光，包括太陽(yáng)光，是來(lái)自恒星表面（更準(zhǔn)確地說(shuō)是恒星大氣）的熱輻射。而中子星體積很小，半徑大約只有10千米，所以其表面熱輻射很少，我們無(wú)法像觀測(cè)其他星星那樣觀測(cè)到它表面熱輻射發(fā)出的光。這也是在貝爾之前，天文學(xué)家一直沒觀測(cè)到中子星的原因。那貝爾又是怎么觀測(cè)到中子星的呢？原來(lái)，中子星南北磁極會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的電磁波輻射。這個(gè)輻射是可以被人們觀測(cè)到的。因?yàn)樘祗w的自轉(zhuǎn)軸和磁軸往往不重合，所以中子星南北磁極的輻射束會(huì)隨著中子星自轉(zhuǎn)而不停地掃射宇宙空間。中子星就宛如一位手持手電筒轉(zhuǎn)圈圈的跳舞小人，只有當(dāng)手中手電筒的光束（即來(lái)自南北磁極的電磁波輻射束）能夠掃過(guò)地球的時(shí)候，才表現(xiàn)為一顆脈沖星。這時(shí)候，中子星每轉(zhuǎn)一圈，光束就掃過(guò)一次地球，這也就是我們?cè)诘厍蛏夏芸吹街芷谛悦}沖的原因。

脈沖星漫畫形象

脈沖星的發(fā)現(xiàn)印證了人們對(duì)中子星存在的猜想，從而也證明了人們對(duì)中子星相關(guān)基礎(chǔ)物理認(rèn)知的正確性，因此發(fā)現(xiàn)者喬瑟琳·貝爾的導(dǎo)師安東尼·休伊什獲得了1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

脈沖星漫畫形象

1975年，當(dāng)時(shí)還是研究生的拉塞爾·赫爾斯利用美國(guó)阿雷西博天文臺(tái)305米口徑射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了首例脈沖雙星。這個(gè)脈沖雙星系統(tǒng)，其中一顆星是脈沖星，另一顆星被觀測(cè)證實(shí)為一顆中子星。這2顆星距離很近且相互繞轉(zhuǎn)，構(gòu)成雙星系統(tǒng)。根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論的預(yù)言，2個(gè)有質(zhì)量的物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)擾動(dòng)時(shí)空，產(chǎn)生時(shí)空的漣漪——引力波。而像脈沖雙星系統(tǒng)這樣2個(gè)大質(zhì)量物體近距離地轉(zhuǎn)動(dòng)，引力波會(huì)更明顯。而根據(jù)能量守恒定律，發(fā)出引力波會(huì)損耗雙星系統(tǒng)的能量。所以，如果愛因斯坦的理論是正確的，那么科學(xué)家應(yīng)該能計(jì)算出這個(gè)脈沖雙星會(huì)發(fā)出多強(qiáng)的引力波，會(huì)因此損失多少能量，從而導(dǎo)致這2顆星之間的距離靠近多少。于是，天文學(xué)家就通過(guò)監(jiān)測(cè)其中的脈沖星，發(fā)現(xiàn)這2顆星真的在按照引力波理論預(yù)言的那樣在相互靠近。因?yàn)橥ㄟ^(guò)這個(gè)脈沖雙星印證了引力波理論，所以拉塞爾·赫爾斯和他的導(dǎo)師泰勒共同獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1990年，天文學(xué)家亞歷克斯·沃爾茲贊使用美國(guó)阿雷西博天文臺(tái)305米口徑射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆毫秒脈沖星，后來(lái)這顆脈沖星被命名為“B1257+12”。此后，天文學(xué)家對(duì)這顆脈沖星進(jìn)行了計(jì)時(shí)觀測(cè)。所謂“計(jì)時(shí)觀測(cè)”，就是監(jiān)測(cè)脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間。根據(jù)我們之前對(duì)脈沖星的介紹可以知道，脈沖星發(fā)出的“脈沖”，是中子星磁極輻射束隨自轉(zhuǎn)周期性掃過(guò)地球造成的。中子星的自轉(zhuǎn)是很穩(wěn)定的，所以脈沖星的脈沖具有很好的周期性。對(duì)脈沖星B1257+12的計(jì)時(shí)觀測(cè)表明，它的脈沖周期有一個(gè)周期性的變化。最終天文學(xué)家認(rèn)定，這顆脈沖星周圍存在著3顆行星。這是人類最早發(fā)現(xiàn)的3顆系外行星。2019年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩個(gè)研究方向：一個(gè)是“物理宇宙學(xué)中的理論發(fā)現(xiàn)”;另一個(gè)是“第一顆圍繞類太陽(yáng)恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星”。很明顯，脈沖星并不是一顆類太陽(yáng)的恒星，甚至不能算是恒星，而是恒星死亡之后的產(chǎn)物。因而，在脈沖星周圍發(fā)現(xiàn)這些系外行星的研究者，并沒能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。這也很好理解，畢竟按照人類目前的認(rèn)識(shí)，只有圍繞類太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的行星才有可能存在生命。

2017年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了3位科學(xué)家，以表彰他們通過(guò)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次探測(cè)到引力波。引力波觀測(cè)有地面干涉儀（如LIGO）、太空干涉儀（如LISA、太極、天琴等計(jì)劃）、脈沖星計(jì)時(shí)陣列和宇宙微波背景輻射偏振測(cè)量等多種途徑。這些不同的探測(cè)手段，在直觀上最大的區(qū)別就是大小不同。從最小的僅有幾千米的地面干涉儀，到整個(gè)宇宙大小的宇宙微波背景輻射。尺度越大的探測(cè)手段，探測(cè)的是波長(zhǎng)越長(zhǎng)的引力波。這其中的脈沖星計(jì)時(shí)陣列，探測(cè)的是波長(zhǎng)達(dá)到年量級(jí)的引力波，對(duì)應(yīng)的是如星系中心超大質(zhì)量黑洞合并這樣的天文現(xiàn)象。而所謂的脈沖星計(jì)時(shí)陣列，就是對(duì)多顆脈沖周期十分穩(wěn)定的脈沖星進(jìn)行多年的計(jì)時(shí)觀測(cè)。如果有引力波經(jīng)過(guò)地球周圍，那么地球與脈沖星之間的時(shí)空就會(huì)被扭曲，脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間隨之就會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)，天文學(xué)家就有可能通過(guò)觀測(cè)脈沖星脈沖周期的規(guī)律性變化來(lái)探測(cè)引力波信號(hào)。

使用不同的引力波探測(cè)手段探測(cè)不同波長(zhǎng)引力波信號(hào)，不同波長(zhǎng)引力波信號(hào)對(duì)應(yīng)不同的天文現(xiàn)象。

除了上述這些獲得或有望獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究方向，脈沖星還有很多其他的用處。比如，利用一些距離已知的脈沖星，可以獲得銀河系中電子分布的大致情況;利用磁場(chǎng)對(duì)脈沖星信號(hào)的影響，得知銀河系大尺度的磁場(chǎng)分布情況;還有科學(xué)家在研究如何使用脈沖星作為星際航行的“燈塔”來(lái)為未來(lái)的星際飛船導(dǎo)航。

快速射電暴

有一類和脈沖星信號(hào)有些許類似的天文信號(hào)，也是射電觀測(cè)（當(dāng)然也包括FAST）的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，那就是快速射電暴。第一個(gè)快速射電暴就是天文學(xué)家在搜尋脈沖星的時(shí)候找到的。前文提及的脈沖星的脈沖信號(hào)會(huì)周期性重復(fù)出現(xiàn)，而快速射電暴的信號(hào)則往往只出現(xiàn)一次。此外，我們目前在射電波段發(fā)現(xiàn)的脈沖星都在銀河系內(nèi)（包括大、小麥哲倫星系），而快速射電暴都來(lái)自銀河系外遙遠(yuǎn)的宇宙空間。2020年，在著名的《自然》雜志發(fā)表的包括FAST觀測(cè)結(jié)果的幾篇論文中，天文學(xué)家使用加拿大氫強(qiáng)度映射實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)的STARE2望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到一顆銀河系中的磁星發(fā)出了一個(gè)十分強(qiáng)的射電脈沖信號(hào)。天文學(xué)家以此推斷，快速射電暴可能源于磁星。而所謂的磁星，則是一類磁場(chǎng)很強(qiáng)的中子星。不過(guò)目前對(duì)于快速射電暴是否起源于磁星還存在爭(zhēng)議，期待日后FAST能以更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)快速射電暴的起源給予更確定的解釋。

目前，F(xiàn)AST已經(jīng)搜尋到200多顆未知脈沖星。在FAST已發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果中，基本都是在脈沖星和快速射電暴領(lǐng)域取得的成果。今后，F(xiàn)AST必能在脈沖星和快速射電暴觀測(cè)中發(fā)揮更令人矚目的作用。