“超级大锅”火眼金睛 再次捕捉到“来自星星”的讯息

张轩中

2018年4月28日，中国科学院国家天文台在贵州的500米口径球面射电望远镜（FAST）首次发现了毫秒脉冲星，并且这个结果得到了国际认证。这一重要成果，引起科学界及媒体广泛关注，那么，这到底是怎么一回事呢？

FAST射电望远镜，就像一台黑白电视机

不知道你们的爸爸妈妈有没有讲过他们小时候家里的黑白电视机，那时候没有有线电视，接受电视信号主要靠家外面的那根毛竹天线。黑白电视机上经常会出现很多雪花，这些雪花其实就是射电信号。

在贵州平塘县克度镇的500米球面射电望远镜，其实本质上就好像一台黑白电视机，它也可以接收到很多“雪花”——这些信号来自遥远的外太空。

FAST是我国的一个重大科研项目，总投资额在10亿元左右，从某种意义上来说，它相当于我们国家有了自己的“天眼”，其意义非同小可。除了接收宇宙天体发射来的射电信号，其实只要稍加改造，它还可以当雷达用，天上的隐形飞机反射的雷达信号也是可以被它“看到”的。

脉冲星，如同游乐场里规律扫射的探照灯

很多人可能不知道，FAST射电望远镜担负的一个重要科研目标是探测更多的脉冲星。

那么，什么是脉冲星呢？

顾名思义，这里“脉冲”的含义可理解成如脉搏一样的冲击，只不过我们人类的脉搏一般固定在每秒跳1次左右，而大部分脉冲星的“脉搏”比人类的脉搏要快得多。脉冲星就是指不断发出电磁脉冲信号的星体。

脉冲星的脉搏是怎么产生的呢？

这个问题其实不难回答，因为它与宋朝的沈括在《梦溪笔谈》中谈到的“地磁偏角”有相似点。

地磁的北极与地理的南极并不完全重合，它们之间的夹角就是地磁偏角。当地球自转的时候，地球的磁场也会跟着旋转。

对于脉冲星来说，情况也是类似的。只不过脉；中星其实是一种中子星。脉冲星就是自转轴方向与磁轴方向有交角的中子星（一种介于白矮星和黑洞之间的星体）。

中子星与地球一样，也有磁偏角，因此中子星转起来会发出电磁脉冲——从中子星磁场的南北极射出来，角度如果正好对准地球的话，中子星每自转1周，这个辐射就会扫到地球1次。这种情况非常像是一个放在游乐场摩天轮上的探照灯，摩天轮旋转起来的时候，探照灯发出的光会不停扫过摩天轮边上的海盗船，每次扫过海盗船的时间间隔就被称为周期。

毫秒脉冲星，上演比芭蕾舞演员更厉害的旋转

前面已经说到，脉冲星其实是中子星，而中子星的质量不能太大——太大了就会变成黑洞。根据美国的“原子弹之父”罗伯特·奥本海默等人的计算，中子星的质量一般是2倍太阳质量左右。中子星绝大部分是中子，中子与中子就好像乒乓球一样堆在一个房间里，中间没有什么空隙。所以，中子星的密度非常大，这使得中子星的半径很小，一般只有20千米。那么小的一个中子星，自转起来的角速度便可以非常大。

但中子星也不能转得太快，因为转得再快也不会超过光速，这样就给出了中子星的角速度上限。根据牛顿万有引力以及圆周运动的公式，就可以估算出中子星最快能旋转的周期是0.5毫秒——也就是大概每秒自转2000转。一个芭蕾舞演员每秒能原地转3圈，而一个中子星最快每秒能转2000转，所以这是很厉害的了。

也正因为如此，在太空中存在大量的脉冲星，它们以相当快的速度自转，大概每秒转1000转，也就是说周期是1毫秒——因此，这样的脉冲星就被称为“毫秒脉冲星”。

根据能量守恒定律，脉冲星不可能一直辐射能量而不损失能量。脉冲星损失的正是它的自转动能，这也将导致它的周期逐渐变长，最终进入脉冲星“坟墓区”。进入坟墓之前，脉；中星的辐射会变得时有时无，最终进入坟墓“死去”，不再发出辐射。不过“坟墓区”仅仅只是理论研究结果，实际上也有“僵尸”脉冲星存在（处在坟墓中但仍然发出信号）。

有一部分脉冲星比较幸运，它们边上有另外一颗恒星。这就是双星中的脉冲星。这些脉冲星，当距离边上的恒星足够近时，可以通过吸收对方的物质来“抵抗衰老”。在吸收物质的过程中，这些脉冲星的自转速度会越来越快，脉冲信号的周期随之变短，它们的周期变化率也会变小，即周期更加稳定。它们就这样靠着他星的能量，慢慢地从“正常脉冲星”，最终演变成为一颗毫秒脉冲星。

FAST是中国拥有的探测宇宙的最好仪器，发现毫秒脉冲星这确实是一件可喜可贺的大事。这个500米口径的射电望远镜发现毫秒脉冲星是非常重要的进展，因为我们中国之前有口径为5米、20米、100米射电望遠镜，但都没有发现过毫秒脉冲星，这展示了FAST在脉冲星搜寻方面的重大潜力。这颗毫秒脉冲星J0318+0253的周期为5.19亳秒，它的发现，相当于我们在天空中找到了一个精确的时钟。同时，此次发现还大幅度提高了脉冲星阵探测引力波的灵敏度，为进一步探测引力波提供更多可能。

FAST目前还在调试阶段，还没有正式服役，就能有此突破可喜可贺，希望FAST能有更多新的科学发现。