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)出電磁脈沖信號而得名。脈沖星的周期性使它成為天文學家非常有用的工具。利用脈沖星在二元中子星系統(tǒng)中的觀測，間接證實了引力輻射的存在。在FAST望遠鏡的幾個科學目標中，其中一個比較重要的觀測對象就是脈沖星。

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，實際上中子星也有2 條輻射束，只是它的輻射束不掃過地球。圖中綠色網(wǎng)格表示的是四維時空。時空在2 顆星運動的過程中被扭曲，這種扭曲會以波的形式傳播出去，亦即“引力波”。

特殊的中子星

1932年，物理學家詹姆斯·查德維克發(fā)現(xiàn)了中子。1934年，天文學家便預言了“超新星爆炸可能會產(chǎn)生中子星”。我們知道，原子由電子、質(zhì)子和中子組成。其中，電子帶一個負電荷，質(zhì)子帶一個正電荷，而中子不帶電。如果恒星的質(zhì)量足夠大，其生命最終階段會發(fā)生超新星爆炸。超新星爆炸后，可能會留下一個致密的核心。若它爆炸之后留下來的核心的質(zhì)量超過大約1.4倍太陽質(zhì)量（錢德拉塞卡極限）、小于大約2倍太陽質(zhì)量（奧本海默極限），則核心的質(zhì)子和電子會在強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，在理論預言有中子星之后的很長一段時間里，天文學家并沒有觀測到這一天體。直到1967年，當時還是研究生的喬瑟琳·貝爾在處理行星際閃爍觀測數(shù)據(jù)的時候，無意間發(fā)現(xiàn)了一個周期性很強的脈沖信號，后來這一信號被論證為來自中子星的輻射。而這種發(fā)出周期性脈沖信號的中子星，被天文學家稱為“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，包括太陽光，是來自恒星表面（更準確地說是恒星大氣）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，我們無法像觀測其他星星那樣觀測到它表面熱輻射發(fā)出的光。這也是在貝爾之前，天文學家一直沒觀測到中子星的原因。那貝爾又是怎么觀測到中子星的呢？原來，中子星南北磁極會發(fā)出很強的電磁波輻射。這個輻射是可以被人們觀測到的。因為天體的自轉(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，只有當手中手電筒的光束（即來自南北磁極的電磁波輻射束）能夠掃過地球的時候，才表現(xiàn)為一顆脈沖星。這時候，中子星每轉(zhuǎn)一圈，光束就掃過一次地球，這也就是我們在地球上能看到周期性脈沖的原因。

脈沖星漫畫形象

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

脈沖星漫畫形象

1975年，當時還是研究生的拉塞爾·赫爾斯利用美國阿雷西博天文臺305米口徑射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了首例脈沖雙星。這個脈沖雙星系統(tǒng)，其中一顆星是脈沖星，另一顆星被觀測證實為一顆中子星。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)愛因斯坦相對論的預言，2個有質(zhì)量的物體相對運動的時候，就會擾動時空，產(chǎn)生時空的漣漪——引力波。而像脈沖雙星系統(tǒng)這樣2個大質(zhì)量物體近距離地轉(zhuǎn)動，引力波會更明顯。而根據(jù)能量守恒定律，發(fā)出引力波會損耗雙星系統(tǒng)的能量。所以，如果愛因斯坦的理論是正確的，那么科學家應該能計算出這個脈沖雙星會發(fā)出多強的引力波，會因此損失多少能量，從而導致這2顆星之間的距離靠近多少。于是，天文學家就通過監(jiān)測其中的脈沖星，發(fā)現(xiàn)這2顆星真的在按照引力波理論預言的那樣在相互靠近。因為通過這個脈沖雙星印證了引力波理論，所以拉塞爾·赫爾斯和他的導師泰勒共同獲得了1993年諾貝爾物理學獎。

1990年，天文學家亞歷克斯·沃爾茲贊使用美國阿雷西博天文臺305米口徑射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一顆毫秒脈沖星，后來這顆脈沖星被命名為“B1257+12”。此后，天文學家對這顆脈沖星進行了計時觀測。所謂“計時觀測”，就是監(jiān)測脈沖星的脈沖到達時間。根據(jù)我們之前對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。對脈沖星B1257+12的計時觀測表明，它的脈沖周期有一個周期性的變化。最終天文學家認定，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年的諾貝爾物理學獎授予了兩個研究方向：一個是“物理宇宙學中的理論發(fā)現(xiàn)”;另一個是“第一顆圍繞類太陽恒星運轉(zhuǎn)的系外行星”。很明顯，脈沖星并不是一顆類太陽的恒星，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。這也很好理解，畢竟按照人類目前的認識，只有圍繞類太陽運轉(zhuǎn)的行星才有可能存在生命。

2017年，諾貝爾物理學獎頒發(fā)給了3位科學家，以表彰他們通過激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到引力波。引力波觀測有地面干涉儀（如LIGO）、太空干涉儀（如LISA、太極、天琴等計劃）、脈沖星計時陣列和宇宙微波背景輻射偏振測量等多種途徑。這些不同的探測手段，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，到整個宇宙大小的宇宙微波背景輻射。尺度越大的探測手段，探測的是波長越長的引力波。這其中的脈沖星計時陣列，探測的是波長達到年量級的引力波，對應的是如星系中心超大質(zhì)量黑洞合并這樣的天文現(xiàn)象。而所謂的脈沖星計時陣列，就是對多顆脈沖周期十分穩(wěn)定的脈沖星進行多年的計時觀測。如果有引力波經(jīng)過地球周圍，那么地球與脈沖星之間的時空就會被扭曲，脈沖星的脈沖到達時間隨之就會發(fā)生變化。這時，天文學家就有可能通過觀測脈沖星脈沖周期的規(guī)律性變化來探測引力波信號。

使用不同的引力波探測手段探測不同波長引力波信號，不同波長引力波信號對應不同的天文現(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;利用磁場對脈沖星信號的影響，得知銀河系大尺度的磁場分布情況;還有科學家在研究如何使用脈沖星作為星際航行的“燈塔”來為未來的星際飛船導航。

快速射電暴

有一類和脈沖星信號有些許類似的天文信號，也是射電觀測（當然也包括FAST）的重點關(guān)注對象，那就是快速射電暴。第一個快速射電暴就是天文學家在搜尋脈沖星的時候找到的。前文提及的脈沖星的脈沖信號會周期性重復出現(xiàn)，而快速射電暴的信號則往往只出現(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），而快速射電暴都來自銀河系外遙遠的宇宙空間。2020年，在著名的《自然》雜志發(fā)表的包括FAST觀測結(jié)果的幾篇論文中，天文學家使用加拿大氫強度映射實驗望遠鏡和美國的STARE2望遠鏡觀測到一顆銀河系中的磁星發(fā)出了一個十分強的射電脈沖信號。天文學家以此推斷，快速射電暴可能源于磁星。而所謂的磁星，則是一類磁場很強的中子星。不過目前對于快速射電暴是否起源于磁星還存在爭議，期待日后FAST能以更多的觀測數(shù)據(jù)對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中發(fā)揮更令人矚目的作用。