20世紀(jì)60年代，當(dāng)?shù)谝活w脈沖星CP1919被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，很多人懷疑那是外星人發(fā)來的信號——因?yàn)樗^規(guī)律，每隔1.337秒都能收到它發(fā)出的信號。如今，我們已經(jīng)知道，脈沖星是自轉(zhuǎn)并具有準(zhǔn)直的輻射束的中子星。因其許多不可思議的性質(zhì)，有很多潛在的應(yīng)用，比如用于星際旅行的導(dǎo)航。現(xiàn)在，科學(xué)家們對脈沖星的研究仍在不斷深入。
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脈沖星是如何被發(fā)現(xiàn)的？
晴朗夜空，我們一抬頭就能看到許多明亮的星星。如果認(rèn)真地盯著某一顆星星看，由于地球大氣湍流的折射，它會(huì)忽明忽暗，這就是我們兒歌里唱的“一閃一閃亮晶晶”。假如我們坐飛船到太空去看星星，一般來說，星星是不會(huì)“眨眼睛”的。
但宇宙總是給我們太多驚喜，太空中還真有一類特殊的“眨眼睛”的星星——脈沖星。
脈沖星被稱為20世紀(jì)60年代四大發(fā)現(xiàn)之一。世界上第一顆被發(fā)現(xiàn)的脈沖星叫作CP1919，是由天文學(xué)家貝爾和她的老師休伊什共同發(fā)現(xiàn)的。在此之前，誰也沒有見過脈沖星的信號長什么樣子，以至于起初貝爾將脈沖星信號當(dāng)作了人造的干擾。之后，他們重復(fù)、多次收到了這樣的信號，在扣除地球自身的運(yùn)動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)怪異的信號竟然具有1.337秒的周期。于是，貝爾和休伊什將這次發(fā)現(xiàn)發(fā)表在國際期刊上，頓時(shí)引起了強(qiáng)烈反響。
當(dāng)時(shí)科學(xué)家們想出了三種模型來解釋它：第一是密近雙星的解釋，兩顆恒星相互繞轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)光的一顆被遮擋時(shí)，就看不到輻射，當(dāng)沒有被遮擋時(shí)，就有了輻射。第二是恒星的膨脹與收縮，這也會(huì)造成我們看到的亮度變化，如果這樣的過程比較穩(wěn)定，那么就呈現(xiàn)了我們看到的周期性變化行為。第三種就是中子星模型，這個(gè)模型描述了會(huì)自轉(zhuǎn)且具有準(zhǔn)直輻射束的一類星體，如果自轉(zhuǎn)穩(wěn)定且輻射束剛好能掃過我們，就好像一座海上燈塔。
那么哪一個(gè)模型更好呢？隨著觀測的推進(jìn)，人們發(fā)現(xiàn)了越來越多這樣的周期性信號，其中有一些甚至能達(dá)到毫秒級的周期，第一和第二種模型已經(jīng)不能解釋這樣小的周期了，只有中子星模型才能解釋。在金牛座中就有一個(gè)這樣的星星，它一秒中能“眨眼”33次，前人稱之為蟹狀星云脈沖星。從觀測的角度來說，像這樣具有穩(wěn)定眨眼頻率的星星，就可能是脈沖星。而對它的證認(rèn)，還需要科學(xué)家做進(jìn)一步的觀測和分析。
更有趣的是，畢竟當(dāng)初誰也沒有看到過這樣的脈沖信號，人們就以為可能是外星人發(fā)出的。但是在對數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)地分析后，并沒有發(fā)現(xiàn)這樣的多普勒效應(yīng)，于是就否定了這個(gè)說法。當(dāng)然，現(xiàn)在看來，由于脈沖星距離我們十分遙遠(yuǎn)，一個(gè)文明發(fā)出的信號在經(jīng)過了這么遠(yuǎn)的路程后還能被探測到，這是不可思議的。
脈沖星有哪些神奇的特性？
在天文學(xué)家眼里，宇宙間小至地球這樣的行星，大至銀河系，乃至整個(gè)宇宙這樣的大尺度結(jié)構(gòu)，都有著鮮活的“生命”——它們都有“生老病死”。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)一顆超過8倍太陽質(zhì)量的恒星演化到末期后，其物質(zhì)會(huì)向中心坍縮，然后發(fā)生猛烈的爆炸（超新星爆炸），強(qiáng)大的沖擊波使得物質(zhì)向外彌散，并與星際介質(zhì)相互作用，形成一個(gè)漂亮的“禮花”，這個(gè)過程被稱為超新星爆炸，這個(gè)巨大的“禮花”就是超新星遺跡。在這“禮花”的中心，有機(jī)會(huì)誕生一顆中子星。當(dāng)這顆中子星自轉(zhuǎn)起來，并具有準(zhǔn)直的輻射束時(shí)，就成為一顆脈沖星。
但遺憾的是，我們在地球上無法肉眼看到脈沖星。主要有兩點(diǎn)原因：第一，它們在天上太弱，科學(xué)家需要借助大的望遠(yuǎn)鏡才能看到它們；第二，大部分脈沖星在光學(xué)的波段并沒有輻射，它們在射電波段看起來會(huì)比較強(qiáng)。當(dāng)然，有一些特殊的脈沖星在全波段都能看到，比如年輕的蟹狀星云脈沖星，但你至少要有一個(gè)大望遠(yuǎn)鏡才行。
脈沖星有很多獨(dú)特的特性，讓天文學(xué)家們深深為之著迷。
特性一：超高的密度。大家都知道，構(gòu)成世間萬物的最小單位是原子，而偏偏中子星生得奇怪——主流的說法是，構(gòu)成它的全是比原子更小的物質(zhì)，中子。這么看來，中子星本身就是塊巨大的原子核！那這樣一顆星星密度有多大呢？1014g/cm3！設(shè)想一下，我們的指甲蓋差不多是1cm寬，一個(gè)小指頭大約就是1立方厘米，如果這里面填充的是中子星密度的物質(zhì)，那么將承載1億噸的重量。實(shí)際上，由于探測手段的局限性，人們并未真實(shí)探測到脈沖星星體的物質(zhì)組成和狀態(tài)。通常的做法是搜尋突破極限轉(zhuǎn)速（比如1毫秒的周期）的脈沖星，如果找到了這樣的亞毫秒脈沖星，說明脈沖星可能是比中子星密度更高的夸克星。同時(shí)，人們還在積極搜尋、追蹤脈沖星雙星系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)可以給出脈沖星的質(zhì)量，而發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量越高，也越有可能證明脈沖星由夸克組成。隨著引力波探測技術(shù)的逐步成熟，人們越來越有可能探測到兩個(gè)正在相互繞轉(zhuǎn)并融合在一起的中子星。通過計(jì)算機(jī)模擬、匹配信號，可以探測清楚中子星的內(nèi)部物理狀態(tài)。
那我們能在中子星上面生活嗎？答案是不能。正是因?yàn)橹凶有浅叩拿芏龋浔砻婢哂泻軓?qiáng)的引力，會(huì)把人給碾碎。實(shí)際上，不管是人類還是其他堅(jiān)硬的物體，比如鉆石，都會(huì)在脈沖星表面被壓碎成中子物質(zhì)。
特性二：高速旋轉(zhuǎn)的“陀螺”。中子星會(huì)像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一樣瘋狂地旋轉(zhuǎn)。自1967年發(fā)現(xiàn)脈沖星以來，脈沖星的搜尋就成為天文領(lǐng)域的熱門。目前，科學(xué)家們已經(jīng)搜索到了超過3000顆脈沖星。其中轉(zhuǎn)得最快的脈沖星，旋轉(zhuǎn)周期是1.37ms，即一秒鐘就能夠轉(zhuǎn)完約730圈！這可是汽車引擎轉(zhuǎn)速的約10倍，若是人以同樣的速度轉(zhuǎn)圈，身體早已分崩離析了。而這3000多顆脈沖星中，最慢的得23.5秒才能轉(zhuǎn)完一圈。脈沖星的旋轉(zhuǎn)周期中蘊(yùn)含了其演化的秘密。與汽車的制動(dòng)類似，脈沖星的旋轉(zhuǎn)也有剎車與加速。脈沖星旋轉(zhuǎn)會(huì)損失能量，這導(dǎo)致它的旋轉(zhuǎn)速度越來越慢，這樣的“剎車”，最快的能達(dá)到十億年慢一秒，最慢的能達(dá)到一千萬億年才慢一秒。相反，如果脈沖星能得到能量的補(bǔ)充，就能越轉(zhuǎn)越快。這樣的“加速”，最快的能達(dá)到一千年快1秒，而最慢的則是一億億年才快1秒。最有趣的是，一些加速到毫秒量級周期的年老的脈沖星，很可能是通過吸取伴星的物質(zhì)來加速。這一類脈沖星，是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。
脈沖星能用來做什么？
這些特性，讓科學(xué)家們“開發(fā)”出了脈沖星的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用最多的有兩個(gè)：一是將脈沖星作為探針，用來探測銀河系中星際介質(zhì)的分布和密度；二是用來探測銀河系的磁場分布與強(qiáng)度?？茖W(xué)家們已經(jīng)在這兩個(gè)方向上努力了很多年。此外，科學(xué)家們也在探索將脈沖星用于計(jì)時(shí)和引力波探測。
脈沖星被稱為照亮銀河的“手電筒”。我們知道，銀河系中有數(shù)以萬億計(jì)的星星將夜空點(diǎn)亮如篝火，而就在這絢麗的光亮中，仍然充斥著片片黑暗。人類的眼睛已看不清藏匿在這黑暗中的角色，我們需要一個(gè)特殊的手段來使它無所遁形——用脈沖星的“星光”來照亮黑暗中的物質(zhì)，那些隱匿在黑暗中的稀薄氣體。我們稱這些氣體為星際介質(zhì)。
星際介質(zhì)中能夠?qū)γ}沖星信號造成最顯著影響的就數(shù)電離氣體了。脈沖星朝我們發(fā)來的電磁信號會(huì)與電離氣體中的自由電子相互作用，造成一部分電磁信號會(huì)延遲到達(dá)地球?？梢韵胍姷氖牵瑐鞑サ穆烦淘介L，路徑上的電離氣體越多，延遲就會(huì)越厲害?？茖W(xué)家們通過測量延遲的程度，反推出在這個(gè)路徑上的電離氣體的密度。而當(dāng)遍布于銀河的脈沖星都測量個(gè)遍了之后，銀河系中隱藏在黑暗之中的星際介質(zhì)的位置和密度分布也就會(huì)被探明了。
脈沖星也是讓我們看清銀河系磁場結(jié)構(gòu)的得力工具。脈沖星發(fā)出的信號攜帶著一種叫偏振的屬性，當(dāng)與磁場相遇時(shí)，這種屬性便會(huì)發(fā)生改變（法拉第旋轉(zhuǎn)，信號的偏振的方向會(huì)發(fā)生改變），而且磁場越強(qiáng)，改變的幅度越大。因此，科學(xué)家根據(jù)這種現(xiàn)象來確定銀河系的磁場方向。
1997年，在測量了包括脈沖星在內(nèi)的551顆射電源后，研究人員發(fā)現(xiàn)在銀河系中心的西北方向和東南方向的磁場指向我們，而在銀河系中心東北方向和西南方向的磁場背向我們。2014年，研究人員利用更多的射電源對全天的磁場進(jìn)行了測量，再次證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)。到了2017年，銀河系磁場分布的三維圖像被勾勒出來。原來，銀河系中存在著平行于銀河系和垂直于銀河系的磁場。以北銀極為正方向，銀河系北邊的磁場平行于銀河系平面且呈逆時(shí)針方向，而南邊的磁場則是順時(shí)針方向發(fā)展。對于垂直的磁場而言，整個(gè)銀河系就像一個(gè)磁鐵。這塊磁鐵的磁場從南銀極發(fā)出，最后回到北銀極。這些磁場分布于廣泛的銀河系周圍的空間，其強(qiáng)度約為0.3個(gè)微高斯，相比于地磁場約0.6高斯的強(qiáng)度，弱了2000倍。
實(shí)際上，人類還仍未探測到銀河系磁場的全部。由于地球幾乎位于銀河系圓盤一邊的中間，我們就很難探測到銀河系遠(yuǎn)處半個(gè)盤面的星星，也就不能知道銀河系這些遠(yuǎn)區(qū)磁場的具體情況了。這個(gè)困難還需要后來的科學(xué)家們想辦法克服。
脈沖星也是永不斷電的“鐘表”。人類文明誕生以來，“時(shí)間”是一切人類活動(dòng)的參照基準(zhǔn)。從“日出而作、日落而息”，到古代利用滴水來計(jì)時(shí)，再到如今利用“氫鐘”來計(jì)算時(shí)間，可以說，伴隨著人類社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，我們對時(shí)間精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性的要求越來越高。目前氫鐘的計(jì)時(shí)已經(jīng)非常精準(zhǔn)，但從長遠(yuǎn)來看，仍然存在著穩(wěn)定性不夠的問題。研究脈沖星的一個(gè)重要價(jià)值，就在于彌補(bǔ)這一問題。
脈沖星具有穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)周期，有一些每萬億年才會(huì)慢1秒，具有長期的穩(wěn)定性，也就是說，我們的脈沖星“時(shí)鐘”要過萬億年才需要往前調(diào)1秒。而且，脈沖星“鐘表”是永不斷電的，像氫鐘這樣的精密儀器需要精心的保護(hù)，磕磕碰碰是不行的。而脈沖星則沒有這樣的擔(dān)憂，沒有什么能夠干擾到脈沖星，只要幾架大型射電望遠(yuǎn)鏡便可接收到它們的信號。將氫鐘和脈沖星的時(shí)間結(jié)合，就能夠得到精準(zhǔn)且長時(shí)間穩(wěn)定的時(shí)間系統(tǒng)。如果這件事情能做好，那么就是為我們將來的星際航行打好了基礎(chǔ)。
脈沖星也有望成為探測引力波的利器。在相對論的框架下，我們可以把三維空間比作二維的水面，當(dāng)有一顆石子投入水中，就會(huì)激起漣漪，這個(gè)漣漪就是我們的空間漣漪，被稱為引力波。從脈沖星發(fā)射出來的信號就像是在水面勻速行走的船只，當(dāng)水面平靜的時(shí)候，它可以以固定的時(shí)間到達(dá)我們，當(dāng)水面有漣漪的時(shí)候，它到達(dá)我們的時(shí)間就會(huì)變慢。所以，由于引力波的作用，脈沖信號到達(dá)我們的時(shí)間會(huì)改變，反之，通過測量信號到達(dá)時(shí)間的改變，我們就可以知道引力波的存在了。人們通過監(jiān)測天空中位于不同方位的脈沖星，就可以反推出地球周邊的引力波情況。這一工作有許多的科學(xué)家正在推進(jìn)，期待取得突破的那一天。
（作者：王濤、景威聰，均系中國科學(xué)院國家天文臺博士研究生）
標(biāo)簽： 王濤、景威聰
