探寻脉冲星的奥秘

喻业钊

脉冲星，就是旋转的中子星，因不断地发出电磁脉冲信号而得名。脉冲星的周期性使它成为天文学家非常有用的工具。利用脉冲星在二元中子星系统中的观测，间接证实了引力辐射的存在。在FAST望远镜的几个科学目标中，其中一个比较重要的观测对象就是脉冲星。

脉冲双星艺术图，其中的脉冲星带有2 条辐射束，另一颗中子星则没有。要注意这样画只是为了区分脉冲星和中子星，实际上中子星也有2 条辐射束，只是它的辐射束不扫过地球。图中绿色网格表示的是四维时空。时空在2 颗星运动的过程中被扭曲，这种扭曲会以波的形式传播出去，亦即“引力波”。

特殊的中子星

1932年，物理学家詹姆斯·查德维克发现了中子。1934年，天文学家便预言了“超新星爆炸可能会产生中子星”。我们知道，原子由电子、质子和中子组成。其中，电子带一个负电荷，质子带一个正电荷，而中子不带电。如果恒星的质量足够大，其生命最终阶段会发生超新星爆炸。超新星爆炸后，可能会留下一个致密的核心。若它爆炸之后留下来的核心的质量超过大约1.4倍太阳质量（钱德拉塞卡极限）、小于大约2倍太阳质量（奥本海默极限），则核心的质子和电子会在强大的引力的作用下合并为中子，最终塌缩成一颗主要由中子组成的星星，称之为“中子星”。不过，在理论预言有中子星之后的很长一段时间里，天文学家并没有观测到这一天体。直到1967年，当时还是研究生的乔瑟琳·贝尔在处理行星际闪烁观测数据的时候，无意间发现了一个周期性很强的脉冲信号，后来这一信号被论证为来自中子星的辐射。而这种发出周期性脉冲信号的中子星，被天文学家称为“脉冲星”。

脈冲星是中子星，而中子星不一定是脉冲星。

我们看到的星光，包括太阳光，是来自恒星表面（更准确地说是恒星大气）的热辐射。而中子星体积很小，半径大约只有10千米，所以其表面热辐射很少，我们无法像观测其他星星那样观测到它表面热辐射发出的光。这也是在贝尔之前，天文学家一直没观测到中子星的原因。那贝尔又是怎么观测到中子星的呢？原来，中子星南北磁极会发出很强的电磁波辐射。这个辐射是可以被人们观测到的。因为天体的自转轴和磁轴往往不重合，所以中子星南北磁极的辐射束会随着中子星自转而不停地扫射宇宙空间。中子星就宛如一位手持手电筒转圈圈的跳舞小人，只有当手中手电筒的光束（即来自南北磁极的电磁波辐射束）能够扫过地球的时候，才表现为一颗脉冲星。这时候，中子星每转一圈，光束就扫过一次地球，这也就是我们在地球上能看到周期性脉冲的原因。

脉冲星漫画形象

脉冲星的发现印证了人们对中子星存在的猜想，从而也证明了人们对中子星相关基础物理认知的正确性，因此发现者乔瑟琳·贝尔的导师安东尼·休伊什获得了1974年的诺贝尔物理学奖。

脉冲星漫画形象

1975年，当时还是研究生的拉塞尔·赫尔斯利用美国阿雷西博天文台305米口径射电望远镜发现了首例脉冲双星。这个脉冲双星系统，其中一颗星是脉冲星，另一颗星被观测证实为一颗中子星。这2颗星距离很近且相互绕转，构成双星系统。根据爱因斯坦相对论的预言，2个有质量的物体相对运动的时候，就会扰动时空，产生时空的涟漪——引力波。而像脉冲双星系统这样2个大质量物体近距离地转动，引力波会更明显。而根据能量守恒定律，发出引力波会损耗双星系统的能量。所以，如果爱因斯坦的理论是正确的，那么科学家应该能计算出这个脉冲双星会发出多强的引力波，会因此损失多少能量，从而导致这2颗星之间的距离靠近多少。于是，天文学家就通过监测其中的脉冲星，发现这2颗星真的在按照引力波理论预言的那样在相互靠近。因为通过这个脉冲双星印证了引力波理论，所以拉塞尔·赫尔斯和他的导师泰勒共同获得了1993年诺贝尔物理学奖。

1990年，天文学家亚历克斯·沃尔兹赞使用美国阿雷西博天文台305米口径射电望远镜发现了一颗毫秒脉冲星，后来这颗脉冲星被命名为“B1257+12”。此后，天文学家对这颗脉冲星进行了计时观测。所谓“计时观测”，就是监测脉冲星的脉冲到达时间。根据我们之前对脉冲星的介绍可以知道，脉冲星发出的“脉冲”，是中子星磁极辐射束随自转周期性扫过地球造成的。中子星的自转是很稳定的，所以脉冲星的脉冲具有很好的周期性。对脉冲星B1257+12的计时观测表明，它的脉冲周期有一个周期性的变化。最终天文学家认定，这颗脉冲星周围存在着3颗行星。这是人类最早发现的3颗系外行星。2019年的诺贝尔物理学奖授予了两个研究方向：一个是“物理宇宙学中的理论发现”;另一个是“第一颗围绕类太阳恒星运转的系外行星”。很明显，脉冲星并不是一颗类太阳的恒星，甚至不能算是恒星，而是恒星死亡之后的产物。因而，在脉冲星周围发现这些系外行星的研究者，并没能获得诺贝尔奖。这也很好理解，毕竟按照人类目前的认识，只有围绕类太阳运转的行星才有可能存在生命。

2017年，诺贝尔物理学奖颁发给了3位科学家，以表彰他们通过激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到引力波。引力波观测有地面干涉仪（如LIGO）、太空干涉仪（如LISA、太极、天琴等计划）、脉冲星计时阵列和宇宙微波背景辐射偏振测量等多种途径。这些不同的探测手段，在直观上最大的区别就是大小不同。从最小的仅有几千米的地面干涉仪，到整个宇宙大小的宇宙微波背景辐射。尺度越大的探测手段，探测的是波长越长的引力波。这其中的脉冲星计时阵列，探测的是波长达到年量级的引力波，对应的是如星系中心超大质量黑洞合并这样的天文现象。而所谓的脉冲星计时阵列，就是对多颗脉冲周期十分稳定的脉冲星进行多年的计时观测。如果有引力波经过地球周围，那么地球与脉冲星之间的时空就会被扭曲，脉冲星的脉冲到达时间随之就会发生变化。这时，天文学家就有可能通过观测脉冲星脉冲周期的规律性变化来探测引力波信号。

使用不同的引力波探测手段探测不同波长引力波信号，不同波长引力波信号对应不同的天文现象。

除了上述这些获得或有望获得诺贝尔奖的研究方向，脉冲星还有很多其他的用处。比如，利用一些距离已知的脉冲星，可以获得银河系中电子分布的大致情况;利用磁场对脉冲星信号的影响，得知银河系大尺度的磁场分布情况;还有科学家在研究如何使用脉冲星作为星际航行的“灯塔”来为未来的星际飞船导航。

快速射电暴

有一类和脉冲星信号有些许类似的天文信号，也是射电观测（当然也包括FAST）的重点关注对象，那就是快速射电暴。第一个快速射电暴就是天文学家在搜寻脉冲星的时候找到的。前文提及的脉冲星的脉冲信号会周期性重复出现，而快速射电暴的信号则往往只出现一次。此外，我们目前在射电波段发现的脉冲星都在银河系内（包括大、小麦哲伦星系），而快速射电暴都来自银河系外遥远的宇宙空间。2020年，在著名的《自然》杂志发表的包括FAST观测结果的几篇论文中，天文学家使用加拿大氢强度映射实验望远镜和美国的STARE2望远镜观测到一颗银河系中的磁星发出了一个十分强的射电脉冲信号。天文学家以此推断，快速射电暴可能源于磁星。而所谓的磁星，则是一类磁场很强的中子星。不过目前对于快速射电暴是否起源于磁星还存在争议，期待日后FAST能以更多的观测数据对快速射电暴的起源给予更确定的解释。

目前，FAST已经搜寻到200多颗未知脉冲星。在FAST已发表的观测结果中，基本都是在脉冲星和快速射电暴领域取得的成果。今后，FAST必能在脉冲星和快速射电暴观测中发挥更令人瞩目的作用。