“天眼”看見(jiàn)的脈沖星到底能干啥

任志方

2017年10月10日，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布了500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）取得的首批成果：FAST首次發(fā)現(xiàn)脈沖星，探測(cè)到數(shù)十個(gè)優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中6個(gè)通過(guò)國(guó)際認(rèn)證。這是中國(guó)人首次利用自己獨(dú)立研制的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星。

脈沖星剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)差點(diǎn)被當(dāng)成外星信號(hào)

脈沖星的發(fā)現(xiàn)還要從50年前說(shuō)起。1967年，英國(guó)劍橋建造了一種新型的射電望遠(yuǎn)鏡，其作用是觀測(cè)射電輻射受行星際物質(zhì)的影響。1967年7月，該射電望遠(yuǎn)鏡投入使用，由英國(guó)天文學(xué)家休伊什的女博士喬斯林·貝爾擔(dān)任觀測(cè)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(xì)摸索射電閃爍信號(hào)的特征，這是太陽(yáng)系帶電介質(zhì)干擾星空無(wú)線電傳播的結(jié)果，其流量呈現(xiàn)出秒量級(jí)的準(zhǔn)周期變化。此現(xiàn)象可以類比于“天上的星星在眨眼”，這源于地球大氣層擾動(dòng)引發(fā)的光學(xué)波段的閃爍。

然而，貝爾偶然察覺(jué)到一個(gè)奇怪而且周期極其規(guī)律的“干擾”信號(hào)——每隔1.33秒的精準(zhǔn)時(shí)間的脈沖信號(hào)。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(zhǔn)時(shí)效應(yīng)？休伊什認(rèn)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(shí)間同一天區(qū)，神秘的脈沖信號(hào)再次出現(xiàn)，這就足以證明奇怪的信號(hào)并非來(lái)自地球，而是來(lái)自天外。

觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，這個(gè)脈沖信號(hào)的頻率極其精確；接下來(lái)，貝爾和同事又發(fā)現(xiàn)不同天區(qū)的另外3個(gè)周期各異的脈沖信號(hào)源。這排除了觀測(cè)到的是外星人信號(hào)的可能，因?yàn)椴豢赡苡?個(gè)外星人在不同方向同時(shí)向地球發(fā)射不同的脈沖信號(hào)。

經(jīng)過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡的色散測(cè)量，貝爾給出脈沖星距離地球大約幾萬(wàn)光年的結(jié)論，這意味著脈沖信號(hào)源于銀河系起源的天體。經(jīng)過(guò)一番努力，貝爾和休伊什在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表了發(fā)現(xiàn)脈沖星的論文，并認(rèn)為脈沖星就是物理學(xué)家預(yù)言的超級(jí)致密的中子星。

消息很快轟動(dòng)了世界科學(xué)界，這是不曾奢望而極其意外的發(fā)現(xiàn)，堪稱20世紀(jì)的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，為天文學(xué)和天體物理研究開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。1974年，休伊什因這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自轉(zhuǎn)速度比木星還快10萬(wàn)倍

那么，什么是脈沖星？

脈沖星的典型半徑僅有10公里，其質(zhì)量卻在1.44倍至3.2倍太陽(yáng)質(zhì)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(zhì)量達(dá)到1億噸，要用1000艘百萬(wàn)噸級(jí)的巨輪才能拖動(dòng)。

脈沖星就是正在快速自轉(zhuǎn)的中子星。這樣的中子星由于快速自轉(zhuǎn)而發(fā)出射電脈沖，所以有脈沖星之名。脈沖的周期其實(shí)就是脈沖星的自轉(zhuǎn)周期。

當(dāng)星體自轉(zhuǎn)且磁極波束掃過(guò)安裝在地面或航天器上的探測(cè)設(shè)備時(shí)，探測(cè)設(shè)備就能接收一個(gè)脈沖信號(hào)。原理就像我們乘坐輪船在海里航行看到燈塔一樣。設(shè)想一座燈塔內(nèi)的燈總是亮著且不斷旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一圈，燈光射到船上一次。在我們看來(lái)，燈塔的光就連續(xù)地一明一滅。脈沖星也是一樣，當(dāng)它每自轉(zhuǎn)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(xù)的脈沖。

地球每24小時(shí)自轉(zhuǎn)一次，而大多數(shù)脈沖星每秒鐘就能自轉(zhuǎn)一次或多次，有些脈沖星的旋轉(zhuǎn)速度甚至最高可達(dá)每秒100轉(zhuǎn)。它們的自轉(zhuǎn)速度比太陽(yáng)系中轉(zhuǎn)速最快的木星還快10萬(wàn)倍。

50年來(lái)已有1000多顆脈沖星被發(fā)現(xiàn)

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

從第一顆脈沖星“小綠人”被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，世界各地天文臺(tái)已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)1000多顆脈沖星。據(jù)估計(jì)，在銀河系中，可能有100多萬(wàn)顆脈沖星。所有新發(fā)現(xiàn)的脈沖星的發(fā)射周期都以同樣的方式運(yùn)行，每隔一個(gè)特定周期就發(fā)射短噪聲脈沖，每顆脈沖星的發(fā)射周期都保持不變。

位于貴州省喀斯特洼坑中的FAST望遠(yuǎn)鏡與美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，是世界上僅有的兩個(gè)利用喀斯特地貌中的天然盆地修建的超大口徑射電望遠(yuǎn)鏡。在FAST落成之前，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡就已經(jīng)獨(dú)霸世界最大口徑射電望遠(yuǎn)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(xué)發(fā)現(xiàn)。

具有極高靈敏度的FAST望遠(yuǎn)鏡在調(diào)試初期就發(fā)現(xiàn)了脈沖星，F(xiàn)AST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(lái)自宇宙深處的星際光聚焦成一個(gè)點(diǎn)。射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，聚光能力越強(qiáng)，也就是增益越大，放大倍數(shù)越大。

廣義地說(shuō)，F(xiàn)AST像是一臺(tái)收音機(jī)，用巨大的天線收聽(tīng)來(lái)自宇宙深處的聲音。很多反射單元構(gòu)成的相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)大小的拋物面，就是FAST的天線。未來(lái)，F(xiàn)AST將有希望發(fā)現(xiàn)更多守時(shí)精準(zhǔn)的毫秒脈沖星，將對(duì)脈沖星計(jì)時(shí)陣探測(cè)引力波做出前所未有的貢獻(xiàn)。

駛向太陽(yáng)系之外可以用脈沖星導(dǎo)航

脈沖星的本質(zhì)是中子星，中子星的密度非常大，相當(dāng)于1立方厘米的體積上負(fù)載了1億噸的質(zhì)量。這就使得脈沖星具有在地面實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)的極端物理性質(zhì)，是理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室。

現(xiàn)在，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)已經(jīng)直接探測(cè)到引力波的存在，并為三位相關(guān)科學(xué)家贏得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但脈沖星觀測(cè)仍然有機(jī)會(huì)再次在引力波探測(cè)領(lǐng)域一展身手：當(dāng)引力波掃過(guò)地球周圍，將在較大尺度上同時(shí)影響多顆脈沖星傳播到地球的信號(hào)。如果我們對(duì)臨近脈沖星的周期保持長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，就有望通過(guò)其周期的整體變化規(guī)律，探測(cè)到掃過(guò)銀河系的引力波的存在。

除了密度大，脈沖星的自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定，它是以相對(duì)論的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以提供接近原子鐘精度的時(shí)鐘信號(hào)。

如果我們能完全掌握脈沖星周期的變化規(guī)律，脈沖星在未來(lái)幾百年還將有一個(gè)重要的應(yīng)用場(chǎng)景：當(dāng)人類的星艦駛向太陽(yáng)系之外，脈沖星就成了茫茫星海中名副其實(shí)的燈塔。通過(guò)對(duì)脈沖星周期的監(jiān)測(cè)，星艦可以隨時(shí)掌握自身的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而推算自己在宇宙中航行的坐標(biāo)。這就是所謂的脈沖星導(dǎo)航。