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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

世界上公認的脈沖星發(fā)現(xiàn)者是貝爾女士（J. Bell），當時她是英國劍橋大學的博士研究生。1967年夏天，在無意搜索射電望遠鏡天線的數(shù)據(jù)帶時，她注意到奇怪的周期信號——每隔1.33秒一次流量變化，后經(jīng)仔細認證，認定這是天體信號，來自后被稱為“脈沖星”的天體，即物理學家曾經(jīng)預言的超級致密的中子星 ^[1]。經(jīng)過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)大約為一個太陽質(zhì)量，物質(zhì)密度是10¹⁴~10¹⁵克·厘米^-3，相當于水密度的千萬億倍。脈沖星的輻射來自其強大磁場的極冠區(qū)，每當中子星極冠轉到地球視線方向，就會發(fā)出信號。中子星半徑約在10 千米，自旋很快，其中射電脈沖星旋轉周期在1.4 毫秒~8.5秒之間。

中子星的物質(zhì)結構由內(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。

天文學家可通過射電、光學、X射線、γ射線等波段的望遠鏡探測脈沖星。目前觀測發(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。脈沖星種類繁多，根據(jù)輻射能段的不同分為射電脈沖星、X射線脈沖星和γ射線脈沖星等；根據(jù)有無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)供能機制的不同可以分為旋轉供能脈沖星、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。

脈沖星的科學意義

?FAST全景

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

由于脈沖星的大質(zhì)量和小半徑,其表面引力場非常強，所以不能忽略廣義相對論效應的存在， 這使得脈沖星成為強引力場研究的天然實驗室。在地球和太陽系范圍里，廣義相對論已經(jīng)得到如下幾種驗證。（1）水星近日點的進動。對于每百年43秒的剩余進動，天文學家曾經(jīng)無法合理解釋其進動來源，直到后來被廣義相對論解釋。（2）光線在引力場中的彎曲。廣義相對論計算的彎曲結果比牛頓理論正好大1倍，英國天文學家愛丁頓（A. Eddington）通過1919年日全食觀測，證實了愛因斯坦的預言。（3）引力場中時鐘變慢現(xiàn)象。（4）光譜的引力紅移現(xiàn)象。上述檢驗全部可以在脈沖星系統(tǒng)完成，其精度將高于地球上的實驗。值得一提的是，隨著對脈沖星的探索研究，引力輻射的檢測可以通過雙星系統(tǒng)進行。1974年，美國天文學家赫爾斯（R. Hulse）和泰勒（J. Taylor）發(fā)現(xiàn)了一對互相繞轉的雙中子星系統(tǒng)（其中一顆為射電脈沖星），他們利用此雙星系統(tǒng)的軌道變化來檢驗各類引力理論, 發(fā)現(xiàn)廣義相對論的理論預言與觀測非常吻合， 從而間接證實了引力波預言 ^[2]。

天文學家注意到，脈沖星在基礎科學研究領域具有極其重要的學術意義 ^[3]。脈沖星的超強磁場為研究磁層粒子加速機制、高能輻射、射電輻射過程提供了一個理想場所。強大的磁場運動產(chǎn)生電場，其中的等離子體物理過程也是物理學家感興趣的課題。

中子星的物質(zhì)組成與其結構相關，其中心附近的密度是核密度的幾倍，誕生時溫度可高達10⁹開，一般認為此條件下可能生成夸克物質(zhì)，這在地球上是無法探索的極端物質(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證的絕佳場所。

脈沖星作為大質(zhì)量恒星坍縮后超新星爆發(fā)的產(chǎn)物，對于研究超新星爆發(fā)理論，理解脈沖星的形成機制相當重要 ^[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)，可能會威脅到人類的生存。銀河系的超新星爆發(fā)大約每隔50年一次，如1054年我國宋朝記錄的蟹狀星云處的爆發(fā)， 1604年開普勒在銀河系中發(fā)現(xiàn)超新星，美國宇航局的錢德拉太空望遠鏡在銀河系中發(fā)現(xiàn)了一個約100萬年前爆炸的超新星遺跡。

脈沖星其實是恒星的死亡產(chǎn)物，其核心通過兩個途徑，即坍縮或者爆炸，最終導致超新星的產(chǎn)生。第一類型超新星發(fā)生在雙星系統(tǒng)，當白矮星由伴星吸積過多物質(zhì)，其質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限（約1.4太陽質(zhì)量），就會爆炸，產(chǎn)生超新星。第二種類型是超新星作為一顆孤立的大質(zhì)量恒星的生命終結期，當耗盡自身的核燃料，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（脈沖星即是轉動的中子星）。按質(zhì)量的大小，恒星演化末期可演化為三類天體: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, 只能靠消耗其自轉能維持輻射，可觀測到的脈沖星信號即為旋轉的中子星發(fā)出的輻射。

在應用研究方面, 脈沖星因其自轉周期的高度穩(wěn)定性，在時間標準和航天器導航上有非常重要的應用前景。在平時生活中，差上幾分鐘對生活影響不是很大，但是如果在航天領域，時間定不準, 就意味著空間位置有偏差，制導設備在定位精度上存在大問題，對于衛(wèi)星的空間運動，時間差之毫厘，距離謬以千里。部分脈沖星自轉周期的長期穩(wěn)定性已經(jīng)趕上甚至超過氫原子鐘, 這表明脈沖星在宇宙航行領域是潛在的、可替代原子鐘的時間標準。

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

脈沖星的未來觀測

?FAST 創(chuàng)始人南仁東（1945—2017 年）

50 年來，脈沖星的觀測已積累了一大批寶貴資料,同時也有不少問題尚待解決。隨著FAST 的建設和其他觀測手段的進一步優(yōu)化與發(fā)展，脈沖星所帶來的一系列新問題將會得到解答。雖然現(xiàn)在天文學家已經(jīng)觀測到14 對雙中子星，但還沒有發(fā)現(xiàn)脈沖星—黑洞系統(tǒng)，F(xiàn)AST有望在未來若干年內(nèi)探測到這類奇特雙星。據(jù)估計，脈沖星—黑洞系統(tǒng)的探測率低于雙中子星系統(tǒng)的1/10，隨著世界各地大射電望遠鏡的投入使用，探測到脈沖星— 黑洞系統(tǒng)的機會正在增加。目前，觀測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)吸積加速的結果。根據(jù)理論計算，如果能探測到亞毫秒脈沖星，其物態(tài)很有可能是夸克星，這是核力起主導作用的一類新天體，會為核物理研究打開新的大門。銀河系以外脈沖星的探測也將作為FAST 未來觀測的重點，隨著FAST射電望遠鏡靈敏度的提高，探測其他星系短時間、巨脈沖信號脈沖星也成為可能，這對于研究脈沖星奇特的輻射機制非常有利，也為星際介質(zhì)研究提供絕佳樣本。另外，對于一些年老的脈沖星，其輻射強度較低，星體自旋周期大于10 秒，不容易被探測到。FAST 的高靈敏度使探測年老脈沖星成為可能，這對于研究脈沖星晚期演化特性至關重要。

經(jīng)過50 年的觀測與研究，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約2700顆脈沖星 ^[6]?！?觀測脈沖星—— 研究極端物質(zhì)狀態(tài)下的物質(zhì)結構與物理規(guī)律”是 FAST 的五大科學目標之一 ^[7,8]，F(xiàn)AST 為脈沖星研究與新發(fā)現(xiàn)提供了巨大機遇。

作者簡介：

張承民：研究員，中國科學院國家天文臺，北京100012，崗位教授，中國科學院大學，北京100049；楊佚沿：助理實驗師，貴州師范學院物理與電子科學學院，貴陽 550018；支啟軍：教授，貴州師范大學物理與電子科學學院，貴陽 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.

2. Hulse R A, Taylor J H. Discovery of a pulsar in a binary system. The Astrophysical Journal, 1975, 195: L51-L53.

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. 溫學詩, 吳鑫基. 已獲輝煌 繼續(xù)輝煌——脈沖星研究的科學意義. 現(xiàn)代物理知識, 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 工程建設進展. 天文學報, 2016, 57(6): 623-630.

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

 本文刊載于《科學》雜志2017年第6期，《知識分子》獲授權轉載。