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撰文 | 張承民 楊佚沿 支啟軍

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?脈沖星示意圖

世界上公認(rèn)的脈沖星發(fā)現(xiàn)者是貝爾女士（J. Bell），當(dāng)時(shí)她是英國(guó)劍橋大學(xué)的博士研究生。1967年夏天，在無(wú)意搜索射電望遠(yuǎn)鏡天線(xiàn)的數(shù)據(jù)帶時(shí)，她注意到奇怪的周期信號(hào)——每隔1.33秒一次流量變化，后經(jīng)仔細(xì)認(rèn)證，認(rèn)定這是天體信號(hào)，來(lái)自后被稱(chēng)為“脈沖星”的天體，即物理學(xué)家曾經(jīng)預(yù)言的超級(jí)致密的中子星 ^[1]。經(jīng)過(guò)50年的研究，已知道脈沖星是一種極端致密的天體，由8~25倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星演化到末期發(fā)生的超新星爆發(fā)而形成，中心物質(zhì)大約為一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，物質(zhì)密度是10¹⁴~10¹⁵克·厘米^-3，相當(dāng)于水密度的千萬(wàn)億倍。脈沖星的輻射來(lái)自其強(qiáng)大磁場(chǎng)的極冠區(qū)，每當(dāng)中子星極冠轉(zhuǎn)到地球視線(xiàn)方向，就會(huì)發(fā)出信號(hào)。中子星半徑約在10 千米，自旋很快，其中射電脈沖星旋轉(zhuǎn)周期在1.4 毫秒~8.5秒之間。

中子星的物質(zhì)結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外可以分為內(nèi)核、外核、內(nèi)殼層、外殼層、大氣層。內(nèi)核厚度為幾千米，密度大于10¹⁴克·厘米^-3，主要成分尚未明確。外核是包含中子、質(zhì)子、電子的混合物，內(nèi)殼層主要物質(zhì)為電子、自由中子和原子核，外殼層約為幾百米，從大氣層底部延伸到密度約為10¹¹克·厘米^-3的位置，其主要成分是離子和電子。最外部大氣層很薄，為幾厘米，這是脈沖星電磁輻射和熱輻射的主要區(qū)域。

天文學(xué)家可通過(guò)射電、光學(xué)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)等波段的望遠(yuǎn)鏡探測(cè)脈沖星。目前觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了2700顆脈沖星，其中大部分是孤立的，僅有200多顆存在于雙星系統(tǒng)中。脈沖星種類(lèi)繁多，根據(jù)輻射能段的不同分為射電脈沖星、X射線(xiàn)脈沖星和γ射線(xiàn)脈沖星等；根據(jù)有無(wú)伴星可以分為脈沖星雙星和孤立脈沖星；根據(jù)演化歷史和自轉(zhuǎn)周期的大小，可以分為常規(guī)脈沖星和毫秒脈沖星；根據(jù)供能機(jī)制的不同可以分為旋轉(zhuǎn)供能脈沖星、吸積供能脈沖星、熱供能脈沖星、磁供能脈沖星、核供能脈沖星等。

脈沖星的科學(xué)意義

?FAST全景

?“脈沖星之母”貝爾(前排中)在貴州師范大學(xué)參觀(guān)FAST脈沖星數(shù)據(jù)中心

由于脈沖星的大質(zhì)量和小半徑,其表面引力場(chǎng)非常強(qiáng)，所以不能忽略廣義相對(duì)論效應(yīng)的存在， 這使得脈沖星成為強(qiáng)引力場(chǎng)研究的天然實(shí)驗(yàn)室。在地球和太陽(yáng)系范圍里，廣義相對(duì)論已經(jīng)得到如下幾種驗(yàn)證。（1）水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。對(duì)于每百年43秒的剩余進(jìn)動(dòng)，天文學(xué)家曾經(jīng)無(wú)法合理解釋其進(jìn)動(dòng)來(lái)源，直到后來(lái)被廣義相對(duì)論解釋。（2）光線(xiàn)在引力場(chǎng)中的彎曲。廣義相對(duì)論計(jì)算的彎曲結(jié)果比牛頓理論正好大1倍，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓（A. Eddington）通過(guò)1919年日全食觀(guān)測(cè)，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言。（3）引力場(chǎng)中時(shí)鐘變慢現(xiàn)象。（4）光譜的引力紅移現(xiàn)象。上述檢驗(yàn)全部可以在脈沖星系統(tǒng)完成，其精度將高于地球上的實(shí)驗(yàn)。值得一提的是，隨著對(duì)脈沖星的探索研究，引力輻射的檢測(cè)可以通過(guò)雙星系統(tǒng)進(jìn)行。1974年，美國(guó)天文學(xué)家赫爾斯（R. Hulse）和泰勒（J. Taylor）發(fā)現(xiàn)了一對(duì)互相繞轉(zhuǎn)的雙中子星系統(tǒng)（其中一顆為射電脈沖星），他們利用此雙星系統(tǒng)的軌道變化來(lái)檢驗(yàn)各類(lèi)引力理論, 發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論的理論預(yù)言與觀(guān)測(cè)非常吻合， 從而間接證實(shí)了引力波預(yù)言 ^[2]。

天文學(xué)家注意到，脈沖星在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域具有極其重要的學(xué)術(shù)意義 ^[3]。脈沖星的超強(qiáng)磁場(chǎng)為研究磁層粒子加速機(jī)制、高能輻射、射電輻射過(guò)程提供了一個(gè)理想場(chǎng)所。強(qiáng)大的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電場(chǎng)，其中的等離子體物理過(guò)程也是物理學(xué)家感興趣的課題。

中子星的物質(zhì)組成與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，其中心附近的密度是核密度的幾倍，誕生時(shí)溫度可高達(dá)10⁹開(kāi)，一般認(rèn)為此條件下可能生成夸克物質(zhì)，這在地球上是無(wú)法探索的極端物質(zhì)條件。其次，中子星外核存在中子以及少量質(zhì)子和電子，所以中子星是各種核物理理論驗(yàn)證的絕佳場(chǎng)所。

脈沖星作為大質(zhì)量恒星坍縮后超新星爆發(fā)的產(chǎn)物，對(duì)于研究超新星爆發(fā)理論，理解脈沖星的形成機(jī)制相當(dāng)重要 ^[4]。超新星爆發(fā)是宇宙中巨大的能量釋放現(xiàn)象，如果在銀河系內(nèi)臨近地球處發(fā)生一次超新星爆發(fā)，可能會(huì)威脅到人類(lèi)的生存。銀河系的超新星爆發(fā)大約每隔50年一次，如1054年我國(guó)宋朝記錄的蟹狀星云處的爆發(fā)， 1604年開(kāi)普勒在銀河系中發(fā)現(xiàn)超新星，美國(guó)宇航局的錢(qián)德拉太空望遠(yuǎn)鏡在銀河系中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)約100萬(wàn)年前爆炸的超新星遺跡。

脈沖星其實(shí)是恒星的死亡產(chǎn)物，其核心通過(guò)兩個(gè)途徑，即坍縮或者爆炸，最終導(dǎo)致超新星的產(chǎn)生。第一類(lèi)型超新星發(fā)生在雙星系統(tǒng)，當(dāng)白矮星由伴星吸積過(guò)多物質(zhì)，其質(zhì)量超過(guò)錢(qián)德拉塞卡極限（約1.4太陽(yáng)質(zhì)量），就會(huì)爆炸，產(chǎn)生超新星。第二種類(lèi)型是超新星作為一顆孤立的大質(zhì)量恒星的生命終結(jié)期，當(dāng)耗盡自身的核燃料，由于受引力牽引的作用，失去熱輻射壓力支撐的外圍物質(zhì)將會(huì)發(fā)生物質(zhì)回落現(xiàn)象，造成塌縮，最后爆發(fā)，其中心產(chǎn)生中子星（脈沖星即是轉(zhuǎn)動(dòng)的中子星）。按質(zhì)量的大小，恒星演化末期可演化為三類(lèi)天體:黑洞、中子星、白矮星。中子星已不再像正常恒星一樣燃燒核燃料, 只能靠消耗其自轉(zhuǎn)能維持輻射，可觀(guān)測(cè)到的脈沖星信號(hào)即為旋轉(zhuǎn)的中子星發(fā)出的輻射。

在應(yīng)用研究方面, 脈沖星因其自轉(zhuǎn)周期的高度穩(wěn)定性，在時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和航天器導(dǎo)航上有非常重要的應(yīng)用前景。在平時(shí)生活中，差上幾分鐘對(duì)生活影響不是很大，但是如果在航天領(lǐng)域，時(shí)間定不準(zhǔn), 就意味著空間位置有偏差，制導(dǎo)設(shè)備在定位精度上存在大問(wèn)題，對(duì)于衛(wèi)星的空間運(yùn)動(dòng)，時(shí)間差之毫厘，距離謬以千里。部分脈沖星自轉(zhuǎn)周期的長(zhǎng)期穩(wěn)定性已經(jīng)趕上甚至超過(guò)氫原子鐘, 這表明脈沖星在宇宙航行領(lǐng)域是潛在的、可替代原子鐘的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

脈沖星的研究涉及許多學(xué)科的一系列重要理論問(wèn)題, 它與現(xiàn)代物理中的等離子體物理、廣義相對(duì)論、基本粒子、核物理等密切有關(guān)。另外, 脈沖星在恒星演化的研究中也占據(jù)特殊的地位，所以其研究成為當(dāng)今天體物理學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一 ^[5]。

脈沖星的未來(lái)觀(guān)測(cè)

?FAST 創(chuàng)始人南仁東（1945—2017 年）

50 年來(lái)，脈沖星的觀(guān)測(cè)已積累了一大批寶貴資料,同時(shí)也有不少問(wèn)題尚待解決。隨著FAST 的建設(shè)和其他觀(guān)測(cè)手段的進(jìn)一步優(yōu)化與發(fā)展，脈沖星所帶來(lái)的一系列新問(wèn)題將會(huì)得到解答。雖然現(xiàn)在天文學(xué)家已經(jīng)觀(guān)測(cè)到14 對(duì)雙中子星，但還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)脈沖星—黑洞系統(tǒng)，F(xiàn)AST有望在未來(lái)若干年內(nèi)探測(cè)到這類(lèi)奇特雙星。據(jù)估計(jì)，脈沖星—黑洞系統(tǒng)的探測(cè)率低于雙中子星系統(tǒng)的1/10，隨著世界各地大射電望遠(yuǎn)鏡的投入使用，探測(cè)到脈沖星— 黑洞系統(tǒng)的機(jī)會(huì)正在增加。目前，觀(guān)測(cè)到的毫秒脈沖星最快自旋周期是1.39 毫秒，低于20 毫秒的脈沖星有300多顆，它們的平均周期為4 毫秒，這是雙星系統(tǒng)吸積加速的結(jié)果。根據(jù)理論計(jì)算，如果能探測(cè)到亞毫秒脈沖星，其物態(tài)很有可能是夸克星，這是核力起主導(dǎo)作用的一類(lèi)新天體，會(huì)為核物理研究打開(kāi)新的大門(mén)。銀河系以外脈沖星的探測(cè)也將作為FAST 未來(lái)觀(guān)測(cè)的重點(diǎn)，隨著FAST射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度的提高，探測(cè)其他星系短時(shí)間、巨脈沖信號(hào)脈沖星也成為可能，這對(duì)于研究脈沖星奇特的輻射機(jī)制非常有利，也為星際介質(zhì)研究提供絕佳樣本。另外，對(duì)于一些年老的脈沖星，其輻射強(qiáng)度較低，星體自旋周期大于10 秒，不容易被探測(cè)到。FAST 的高靈敏度使探測(cè)年老脈沖星成為可能，這對(duì)于研究脈沖星晚期演化特性至關(guān)重要。

經(jīng)過(guò)50 年的觀(guān)測(cè)與研究，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約2700顆脈沖星 ^[6]?！?觀(guān)測(cè)脈沖星—— 研究極端物質(zhì)狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律”是 FAST 的五大科學(xué)目標(biāo)之一 ^[7,8]，F(xiàn)AST 為脈沖星研究與新發(fā)現(xiàn)提供了巨大機(jī)遇。

作者簡(jiǎn)介：

張承民：研究員，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京100012，崗位教授，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；楊佚沿：助理實(shí)驗(yàn)師，貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550018；支啟軍：教授，貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025。

Zhang Chengmin: Professor, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, Professor, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049; Yang Yiyan: Assistant Engineer, School of Physics and Electronic Science, Guizhou Education University, Guiyang 550025; Zhi Qijun: Professor, School of Physics and Electronic Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025.

1. Hewish A, Bell S J, Pilkington J D H, et al. Observation of a rapidly pulsating radio source. Nature, 1968, 217(5130): 709-713.

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3. Lyne A, Graham-Smith F. Pulsar astronomy. NewYork: Cambridge University Press, 2012.

4. Lorimer D R, Kramer M. Handbook of pulsar astronomy. Cambridge University Press, 2005.

5. 溫學(xué)詩(shī), 吳鑫基. 已獲輝煌 繼續(xù)輝煌——脈沖星研究的科學(xué)意義. 現(xiàn)代物理知識(shí), 1995, 7(04): 12-16.

6. Manchester R N, Hobbs G B, Teoh A, et al. The Australia telescope national facility pulsar catalogue. The Astronomical Journal, 2005, 129(4): 1993.

7. 南仁東, 張海燕, 張瑩，等. FAST 工程建設(shè)進(jìn)展. 天文學(xué)報(bào), 2016, 57(6): 623-630.

8. 南仁東. 500m 球反射面射電望遠(yuǎn)鏡 FAST. 中國(guó)科學(xué): G 輯, 2005, 35(5): 449-466.

 本文刊載于《科學(xué)》雜志2017年第6期，《知識(shí)分子》獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。