宇宙燈塔
——脈沖星的前世今生

文/馮濤煜

在浩瀚的宇宙中存在著眾多天體,而每一個(gè)天體都能發(fā)射屬于它們自己的信號。而我們的地球其實(shí)就在連續(xù)不斷地向外界發(fā)出微弱的無線電信號,可以設(shè)想一下,如果恰好有一群外星人處在地球磁場的掃射范圍內(nèi),同時(shí)他們又有非常強(qiáng)大的監(jiān)測設(shè)備,那就有可能周期性地收到地球發(fā)出的微弱的無線電信號。這樣一來,他們通過研究就能了解我們這顆星球的特征,甚至利用我們的星球幫助自己闖蕩宇宙。這聽起來是不是很像科幻小說,但其實(shí)對于人類來說,這早已不是想象,我們建在地面的各大射電望遠(yuǎn)鏡以及太空中的太空望遠(yuǎn)鏡都是用來監(jiān)測捕捉地外天體發(fā)射的信號的。而這些信號,對人類來說到底意味著什么呢?下面我們就從人類發(fā)現(xiàn)的脈沖信號說起吧!

脈沖星的發(fā)現(xiàn)——外星人來信？

1967年7月,英國劍橋大學(xué)穆拉德射電天文臺建起了新型射電望遠(yuǎn)鏡,目的是觀測太陽系行星際空間的閃爍現(xiàn)象(光或電磁波的閃爍,如超新星爆發(fā)等)和搜尋可能存在的類星體。一位年僅24歲的劍橋大學(xué)女博士喬瑟琳·貝爾·伯奈爾負(fù)責(zé)監(jiān)測記錄工作。她在炎炎夏日里認(rèn)真處理著復(fù)雜而枯燥的數(shù)據(jù)。一天夜里,她發(fā)現(xiàn)在記錄脈沖信號那長長的紙帶上出現(xiàn)了類似“頸背”的凸起圖案,這個(gè)圖案的出現(xiàn)頻率和大小十分規(guī)律,讓她不禁產(chǎn)生了疑問。隨后,她將此事上報(bào)給了她的導(dǎo)師休伊什。

脈沖信號是什

脈沖信號本質(zhì)上就是電磁波,電磁波包括無線電波、微波、紅外線、紫外線、χ射線、γ射線。而射電望遠(yuǎn)鏡接收到的脈沖信號主要就是無線電波和微波,接收的原理就和收音機(jī)接收無線電波是一樣的道理。你可以把射電望遠(yuǎn)鏡想象成一臺巨大的收音機(jī)。

貝爾和休伊什發(fā)現(xiàn)這個(gè)脈沖信號來自狐貍座方向,會隨著天球東升西落的視運(yùn)動而移動。這到底是什么脈沖信號呢?為什么信號周期如此穩(wěn)定但又這么短?會不會是外星人在向我們打招呼?他們猜測這可能是來自外星文明的信號,即使不是,它也肯定不是一般的宇宙電波,于是他們決定對這個(gè)信號進(jìn)行快速跟蹤記錄。終于在1967年11月28日,他們獲得了清晰的連續(xù)脈沖圖,確定了這是一個(gè)周期為1.337 3秒的相當(dāng)穩(wěn)定的脈沖信號,并且將其戲稱為“小綠人一號”(LGM-1)。小綠人(Little Green Men)出自當(dāng)時(shí)風(fēng)靡英國的描寫地外文明起源的科幻小說。書中猜測如果有外星人的話,它們一定身材矮小,自身可以進(jìn)行光合作用,所以皮膚可能是綠色的。就這樣,人們想象中的“小綠人”誕生了。不過,戲稱歸戲稱,隨后這個(gè)信號被正式命名為CP 1919。

◎左圖是脈沖星在1967年8月被發(fā)現(xiàn)時(shí)的記錄紙帶,右圖是在11月時(shí)高速記錄儀接收到的周期性脈沖信號

脈沖信號周期和周期變化率是什么?

周期是從一個(gè)信號的開始到下一個(gè)信號的開始的時(shí)間,也是脈沖星自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間,所以也叫旋轉(zhuǎn)周期。周期變化率是周期快慢的變化。

獲得連續(xù)脈沖信號圖并確定了脈沖信號的周期后,他們的下一個(gè)任務(wù)就是認(rèn)證這個(gè)信號的來源。貝爾和休伊什在做了一系列排除性實(shí)驗(yàn)后,斷定該信號的來源一定不是在地球上或地球臨近空間內(nèi),而是在太陽系之外,銀河系之內(nèi)。脈沖信號本身的寬度(信號圖中尖峰底端的距離)約為20毫秒,這說明信號發(fā)射源的尺寸沒有地球大。而且在接收的信號中沒有發(fā)現(xiàn)任何可辨認(rèn)的編碼,也沒有出現(xiàn)多普勒效應(yīng),所以這個(gè)信號不太可能來自某顆恒星的行星。最后,他們認(rèn)定,CP 1919不是外星人發(fā)來的消息,而是來自一個(gè)遙遠(yuǎn)而神秘的天體——脈沖星(Pulsar)。或許我們每個(gè)人都更希望這個(gè)信號真的來自外星人,但科學(xué)就是科學(xué),必須用證據(jù)說話,而不能被人的主觀意愿所左右。

多普勒效

多普勒效應(yīng)是指接收到的波的信號頻率會隨著信號源的移動而變化。比如,一個(gè)正在鳴笛的火車離我們越來越近的時(shí)候,我們聽到鳴笛聲的聲調(diào)就會越來越高。

著名的學(xué)術(shù)期刊《自然》于1968年2月24日發(fā)表了貝爾和休伊什的論文,刊登了最早發(fā)現(xiàn)的這顆脈沖星的觀測結(jié)果,并指出這顆脈沖星可能就是符合30多年前荷蘭裔天文學(xué)家茨維基、蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道等人提出的中子星理論模型的極端天體。文章的發(fā)表掀起了軒然大波,當(dāng)時(shí)正處于射電天文學(xué)方興未艾的年代,天文學(xué)家紛紛通過電磁波窗口向宇宙深處望,開啟了搜尋、認(rèn)證脈沖星的競賽,到目前為止已經(jīng)有2 700多顆脈沖星被發(fā)現(xiàn),這些發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了射電天文學(xué)的發(fā)展,脈沖星的發(fā)現(xiàn)也被列入19世紀(jì)60年代四大天文發(fā)現(xiàn)——另外三個(gè)分別是:類星體、星際有機(jī)分子和微波背景輻射。休伊什教授也因此榮獲1974年諾貝爾物理學(xué)獎。由于性別與地位等原因,貝爾與諾貝爾獎失之交臂,但她仍然是世人公認(rèn)的“脈沖星科學(xué)之母”,她后來擔(dān)任了英國皇家天文學(xué)會會長、牛津大學(xué)客座教授等職務(wù),還被伊麗莎白女王授予“大英帝國女爵士稱號”。2018年9月6日,科學(xué)突破獎基礎(chǔ)物理學(xué)獎評選委員會宣布,將基礎(chǔ)物理學(xué)獎特別獎授予天體物理學(xué)家喬瑟琳·貝爾·伯奈爾。得知獲獎的消息后,貝爾十分激動,并決定將300萬美元的獎金捐給英國物理學(xué)會,為那些被忽視的年輕學(xué)者提供支持。

脈沖星的發(fā)現(xiàn)除了在科學(xué)界引起震動,還意外地闖入了流行音樂領(lǐng)域。1979年,后朋克樂隊(duì)“快樂分裂”(Joy Division)使用CP 1919的脈沖輪廓作為首張唱片《任逍遙》(Unknown Pleasures)的封面圖,從此,CP 1919成了流行音樂乃至流行文化的經(jīng)典符號。

◎《任逍遙》唱片封面

脈沖星——魔鬼天體？

我們已經(jīng)認(rèn)識了脈沖信號那如頸背一般凸起的輪廓,那么發(fā)射這種信號的脈沖星究竟是一個(gè)什么樣的天體呢?

脈沖星,又稱波霎,它其實(shí)是恒星死亡后留下的致密遺骸。講到這里,我們先要說說恒星的演化。天上繁星萬點(diǎn),明滅可見的幾乎都是恒星,它們的演化對周圍的天體物理環(huán)境會產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。恒星的一生可以用燃燒、爆炸、膨脹和坍縮四個(gè)詞來概括,不過每個(gè)階段爆發(fā)的劇烈程度與恒星本身的質(zhì)量相關(guān)。比如我們最熟悉的恒星——太陽,它已經(jīng)燃燒了近48億年,再過50億年后它就會爆炸膨脹為紅巨星,最后會在自身引力的作用下坍縮成一顆光線暗淡、密度很大的白矮星。一些高于1.44倍太陽質(zhì)量(此質(zhì)量極限被稱為錢德拉賽卡極限)的恒星的歸宿就與太陽大為不同了,它們會繼續(xù)坍縮成中子星,由中子簡并壓力(中子粒子之間相互作用產(chǎn)生的壓力)對抗引力。再高質(zhì)量(奧本海默極限)的恒星則會坍縮成宇宙間大名鼎鼎的終極天體——黑洞。

◎脈沖星概念

在現(xiàn)今的理論框架下,科學(xué)家認(rèn)為脈沖星極有可能就是一種特殊的中子星。再通俗點(diǎn)說:有一些恒星死后,會爆炸變成超新星;超新星爆炸以后剩下的殘骸,有一部分就是中子星(也有可能是白矮星或者黑洞);如果這個(gè)中子星碰巧有磁場,并且還會高速旋轉(zhuǎn),那么就會形成脈沖星。

◎超新星爆

脈沖星有幾個(gè)特點(diǎn):一是它的密度極高,它雖然只有一個(gè)城市的大小(幾千米至幾十千米),但它的重量可比太陽還要重;二是它的引力場強(qiáng)度極大,地球表面的重力加速度為9.8m/s2,這個(gè)值被稱作1g,在實(shí)驗(yàn)室中高速離心機(jī)能夠產(chǎn)生的地面最強(qiáng)的加速度也僅為4 000 000g,而中子星表面的重力加速度可以達(dá)到1012g。如果把一個(gè)糖塊大小的物體放到中子星上,那么這個(gè)物體在中子星上的重量要比萬艘巨輪還要重;三是它轉(zhuǎn)得極快,幾秒就能自轉(zhuǎn)一周,一些轉(zhuǎn)得快的甚至一秒可以自轉(zhuǎn)幾百圈;四是它的磁場極強(qiáng),強(qiáng)度可達(dá)萬億高斯,是地球的萬億倍。除了以上這四個(gè)主要特點(diǎn)外,它還有溫度極高、壓力極大、輻射極強(qiáng)等特點(diǎn)。

了解了脈沖星的特點(diǎn)后,請同學(xué)們想想,脈沖星上的環(huán)境怎么樣?是不是可以用“極端惡劣”來形容了?跟我們的地球相比,脈沖星可以說是一顆魔鬼天體!不過,對于天文學(xué)家來說,脈沖星可是一個(gè)天然絕佳的核物理實(shí)驗(yàn)室,它可以為科學(xué)家提供豐富的觀測材料。

脈沖星長什么樣？

從圖像上來分析,脈沖星的脈沖信號非常有規(guī)律,人們很自然地就把脈沖信號的形成與星體轉(zhuǎn)動聯(lián)系在一起。而其實(shí)我們接收到的脈沖信號僅僅占脈沖星整個(gè)脈沖周期的10%左右,這說明脈沖信號掃過的面積很小,所以它的輻射應(yīng)當(dāng)是集中在一個(gè)面積很小的方向上。目前科學(xué)家勾勒出的脈沖星的樣貌大概就像右圖中那樣。脈沖星和地球一樣,磁軸與自轉(zhuǎn)軸有一定的夾角,從兩個(gè)磁極流出帶電粒子,然后形成了很細(xì)的輻射束跟隨脈沖星一起轉(zhuǎn)動,當(dāng)輻射束掃過觀測設(shè)備時(shí),我們就能接收到脈沖信號。人們很形象地將它比喻為“宇宙燈塔”。

◎脈沖星結(jié)構(gòu)示意

脈沖星的分類

脈沖星的分類和它的周期有關(guān),但并不只是單單依據(jù)周期的長短劃分,而還要看周期變化率。

提到周期變化率,你可能會想到前面我們講了脈沖星發(fā)射的信號十分穩(wěn)定。但在這里我還要告訴大家,我們觀測到的脈沖星信號,雖然在短時(shí)間內(nèi)周期幾乎看不出變化,但如果分析長時(shí)間的觀測數(shù)據(jù)就會發(fā)現(xiàn),它們的周期是會變化的。而周期變化的快慢,即周期變化率,就是脈沖星一個(gè)重要的觀測量。

◎磁星概念

我們觀測到的大多數(shù)脈沖星統(tǒng)稱為正常脈沖星。它們的周期大概在0.5秒左右,周期變化率是每隔1秒縮短約10-15秒。有些脈沖星的磁場比較強(qiáng)大,我們稱它們?yōu)椤按判恰?。磁星的周期比正常脈沖星要長一些,周期更不穩(wěn)定(周期變化率更大)。還有一種脈沖星叫作毫秒脈沖星,這些脈沖星的周期大部分在10毫秒以下,同時(shí)它們的周期變化率比正常脈沖星小了約10萬倍。

毫秒脈沖星比較幸運(yùn),它們原本是周期較長的脈沖星,但因?yàn)榕赃叞橛辛硪活w星體,通過吸收對方的物質(zhì),它們就可以“延緩甚至抵抗衰老”。在吸收物質(zhì)增加自轉(zhuǎn)動能的過程中,這些脈沖星的自轉(zhuǎn)速度會越來越快,脈沖信號的周期會越來越短,而周期變化率也會隨之變小,即周期更加穩(wěn)定,就這樣靠著其他星體的能量,這些“幸運(yùn)”脈沖星最終成為一顆毫秒脈沖星。一言以蔽之,毫秒脈沖星就是一類依靠吸積伴星物質(zhì)加速成為周期又短(達(dá)到毫秒量級)又穩(wěn)定的脈沖星。

你可能會問,這樣的脈沖星是不是能長生不老?答案是:當(dāng)然不能。因?yàn)楫吘褂钪骈g的萬事萬物還都遵循著能量守恒定律,不可能憑空維持永恒的能量。所以,對于脈沖星來說,隨著時(shí)間的流逝,它的自轉(zhuǎn)速度會越來越慢,輻射也會越來越弱。這時(shí),我們收到的脈沖信號周期就會越來越長,強(qiáng)度越來越弱。雖然,目前在短時(shí)間內(nèi)我們看不出脈沖星的這種周期變化,但是時(shí)間久了,任誰也逃不過生命的終結(jié)。

著名的蟹狀星云就是一個(gè)超新星爆炸的遺跡,星云中間還有一顆著名的脈沖星——蟹狀星云脈沖星。這顆脈沖星大約在北宋時(shí)期(1054年)形成,在其形成之初,亮度非常亮,“晝見如太白”,古人將其記錄為“天關(guān)客星”。但是隨著時(shí)間流逝,今天我們用肉眼已經(jīng)無法看見這顆星,科學(xué)家探測到它現(xiàn)在的旋轉(zhuǎn)速度是每秒30次左右,與幾千年前相比,它的旋轉(zhuǎn)速度慢了很多,周期也變長了?；蛟S再過100萬年,這顆脈沖星就將徹底消失于宇宙中。

◎蟹狀星

為什么要搜尋脈沖星？

自從脈沖星進(jìn)入人們的視野,越來越多的國家加入了搜尋脈沖星的隊(duì)伍。這也促使很多“觀天巨眼”誕生,如澳大利亞莫朗格洛射電望遠(yuǎn)鏡、美國的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡、美國綠岸天文臺的91米望遠(yuǎn)鏡、英國喬德雷爾·班克天文臺的76米望遠(yuǎn)鏡、澳大利亞帕克斯天文臺的64米望遠(yuǎn)鏡以及我國新建造的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)?？吹绞澜绺鞯剡@些“巨眼”,大家或許會產(chǎn)生疑問:我們?nèi)祟悶槭裁匆M(fèi)這么大力氣搜尋脈沖星呢?

◎阿雷西博射電望遠(yuǎn)

對于核天體物理學(xué)家來說,脈沖星具有在地面實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)現(xiàn)的極端物理環(huán)境,是理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室,是驗(yàn)證各種核物理理論的絕佳場所。很多現(xiàn)今還無法解答的重大物理學(xué)問題,說不定在脈沖星這個(gè)“天然物理實(shí)驗(yàn)室”中都能找到答案!

在本刊2018年第4期《時(shí)空的漣漪——引力波》中,我們提到過一種叫作脈沖星計(jì)時(shí)陣列的引力波探測方法。當(dāng)引力波掃過地球周圍時(shí),它會影響多顆脈沖星傳播到地球的脈沖信號。這時(shí)候,我們對鄰近的幾顆脈沖星的周期保持長期的監(jiān)測,就有可能通過其整體的周期變化規(guī)律,探測到引力波的存在。與LIGO相比,這種方法可以專注于極低頻的引力波信號,它能探測的引力波頻率比LIGO敏感的頻率范圍還要低10到12個(gè)數(shù)量級。

◎脈沖星計(jì)時(shí)陣列示意

在地球上,我們的祖先曾利用天上的星星指引方向和時(shí)令,比如利用北斗七星、北極星來辨識方向,這是因?yàn)樵诤诎档囊雇?星星不會隨意改變自己的位置。與古人靠星星指引方向一樣,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們離開地球駕駛宇宙飛船航行時(shí),也可以利用脈沖星在宇宙中導(dǎo)航。一方面,脈沖星具有非常明顯的特征,很容易被認(rèn)出來;另一方面,脈沖星的轉(zhuǎn)動非常穩(wěn)定,特別是毫秒脈沖星的穩(wěn)定性比GPS技術(shù)使用的原子鐘還要高,可以作為高精密時(shí)鐘。大家設(shè)想一下,當(dāng)飛船行駛在太空中,有5顆脈沖星圍繞著你,你會接收到它們的脈沖信號,而當(dāng)你移動的時(shí)候,如果有一顆脈沖星的信號接收到的時(shí)間越來越提前,那就說明你離它越來越近了,反之則是越來越遠(yuǎn),此時(shí)再綜合其他四個(gè)脈沖信號,我們就可以得到在銀河系的三維坐標(biāo)啦,根據(jù)這個(gè)坐標(biāo)我們漫游銀河系時(shí)就不會迷路了!當(dāng)人類在宇宙星河中航行時(shí),脈沖星就成了名副其實(shí)的“宇宙燈塔”。通過對脈沖星旋轉(zhuǎn)周期的監(jiān)測,航天器可以隨時(shí)掌握自身的運(yùn)動速度,進(jìn)而推算出自己在宇宙中的航行坐標(biāo)。這就是所謂的“脈沖星導(dǎo)航”。

◎脈沖星導(dǎo)航示意

原 子

人們平時(shí)所用的鐘表,精度高的大約每年會有1分鐘的誤差,這對日常生活是沒有影響的,但在要求很高的生產(chǎn)、科研中就需要更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具。目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘,它是20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的。原子鐘是利用原子(氫、銫、銣等)吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來計(jì)時(shí)的。由于這種電磁波非常穩(wěn)定,再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制,原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了。原子鐘的精度可以達(dá)到每2 000萬年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強(qiáng)有力的保障。