中国天眼，向着1000颗脉冲星前进吧！
来源： 科普中国 发布时间：2024-02-28
近几天，一则有关中国一口举世闻名的“大锅”的消息，上了各大新闻平台——“中国天眼”fast 已经发现了 883 颗脉冲星，并且计划年内将这个数字刷新到 1000 颗。
图片截自央视新闻频道
那么，脉冲星究竟是什么？为什么要大费周章地找，找到以后又有什么用呢？今天咱们就来仔细聊聊，顺便再跟大家分享点关于 fast 的小八卦。
脉冲星是指疯狂闪烁的星吗？
先说说“脉冲星”。从地球看来，脉冲星是周期性地闪烁电磁脉冲的天体，脉冲间隔极短，从几毫秒到上百秒不等。不过，脉冲星并不是真的在闪烁，所谓脉冲，只是脉冲星以发疯般的速度旋转造成的假象。
那脉冲星是怎么来的呢？其实是恒星“内心拉扯”的结果。
我们肉眼能看到的“正常”恒星，内部都有两股力量在相互抗衡：引力驱使恒星物质向核心坠落，而核聚变释放的能量则把物质向外推。
核聚变的燃料总有用完的一天，所以引力总能最终赢得这场角力。当一颗大质量恒星（例如，超过 8 倍太阳质量）最终耗尽所有燃料时，它就会向中心坍缩，发生猛烈的内爆，再向外弥散，迸发出一朵绚烂的“烟花”。这个过程叫做“超新星爆发”。
北宋至和元年（1054 年），金牛座的“天关”星宿附近爆发过一颗超新星，白天可见 23 天，夜晚可见 22 个月。这起超新星爆发被中国的天文学家记录下来，史称“天关客星”。
尘烟散去，在恒星原来的位置，可能会留下一颗非常致密的天体——中子星。在其内部，原子结构不复存在，电子被压入原子核，与质子结合为中子。中子星的质量超过 1.4 个太阳，直径却只有十几公里。换句话说，每立方厘米的中子星物质，相当于全球人类的质量总和！
中子星还继承了恒星残余质量的旋转角动量。在同样的角动量下，转速与半径的平方成反比。我们每每看到，冰舞运动员在旋转时把双臂收拢或举到头顶，就会猛然滴溜溜地转得飞快。同理，当恒星坍缩为中子星后，转速会成亿倍地飙升。
脉冲星的射电脉冲扫过地球。michael kramer制作
中子星具有强磁场，驱动其周围的带电粒子，发出强烈的射电辐射束，从它的两个磁极喷涌而出。如果随中子星自转的辐射束正好扫过地球，我们就能测到周期性的射电脉冲，就好比某些迪厅的特效灯总是在转圈圈，虽然灯光一直开着，但从一个方向看过去就时亮时暗。嗯，这么一比喻，那脉冲星可以说属于是恒星的遗体在自己坟头蹦迪了……
前面提过的天关客星，就留下了一颗周期 33 毫秒（每秒自转 30 圈）的脉冲星，抛散出的渐冷烟花则是著名的蟹状星云。
蟹状星云。图源nasa
在全球发现的 3000 多颗脉冲星中，绝大多数是中子星，但也有 2 颗是白矮星（还保有原子结构的低质量恒星遗骸）：天蝎座 ar 和宝瓶座 ae。
fast 可不是“快”的意思
大部分脉冲星在可见光波段没有显著辐射，而在射电波段看起来比较亮。幸运的是，在地球这边，大气层对射电波段相当优待，透明度极高，所以射电望远镜特别适合在地面上观测脉冲星。
地球大气层对各波长电磁波的屏蔽。图源 nasa
接下来就说说咱们的 fast。
fast 的名字来自“500 米口径球面射电望远镜”（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope）的英文缩写。这座巨型单碟射电望远镜坐落在贵州省平塘县大窝凼（dàng），依照喀斯特地貌的天然洼地而建，2011 年开工，2016 年落成，是目前世界第一大的全口径均有反射面的射电望远镜（俄罗斯的 ratan-600 口径虽有 576 米，却只有细细一圈反射环）。
fast 鸟瞰。图源 fast 米乐体育官网app入口官网
——顺便说说，大家可能觉得 fast 这个缩写听起来很酷，而全称却显得太直白了。没办法，“缩写不明觉厉，全称真没创意”这是天文界的传统，比如 tmt 是“30 米望远镜”，vlt 是“甚大望远镜”，elt 是“特大望远镜”，eelt 是“欧洲特大望远镜”。韦布空间望远镜听起来是不是还算正常？可它最初的名字其实是“下一代空间望远镜”（相对于哈勃而言）……
为什么射电望远镜都这么大？这是因为在相同的分辨率需求下，要观测的波长越长，“锅”的口径就得越大，不然就看不清了。在红外波段工作的韦布望远镜比主攻可见光的哈勃望远镜口径要大（6.5 米 vs 2.4 米），而射电望远镜要观测的波段，比这俩还要高 5、6 个数量级，那是真非往大了整不可了，口径就是正义用在这里是一点都没错。
细心的读者可能还有两个疑问：
①球面实际上无法将遥远星光汇聚到单一焦点，得用抛物面才行，fast 为何要做成球面望远镜？
②一口大锅这么摆在地上，岂不是只盯着天顶一点，就算随着地球自转，也只能扫描天顶所在的这个圆？
实际上，这是一个常见的误解，也是科普的时候使用简略类比带来的负面影响。因为形状的关系，我们很喜欢把各类射电望远镜称为“锅”。但是这样一来，我们的思维也会被误导，容易觉得 fast 也像咱们家炒菜的大铁锅一样，硬邦邦一整个，形状不会改变，但实际上，fast 的身段灵活得很。
fast 由 4450 片反射板拼成，通过电机驱动，这些反射板能够改变姿态，当一片区域的反射板在统一指挥下规律地调整，就能在“锅”里泛起一片“涟漪”，改变镜面的形状。
经“fast 之父”南仁东和团队的计算，只需和球面偏离 0.47 米，就可以把口径 300 米的球面改成抛物面，把射电信号聚焦在一点。所以，在任意时刻，fast 只有一片口径 300 米的圆形工作区域。通过反射板的齐心协力地调整，这个工作区能在“锅”里自如“漂移”，所以可观测天区的范围相当广。
倘若保持完整的 300 米口径，能从北纬 52.2°（工作区紧贴锅南沿）观测到南纬 0.6°（工作区紧贴锅北沿）。如果愿意牺牲一点有效口径，则可以覆盖北纬 65.8° 到南纬 14.2° 的天空。
fast 光路，黄色虚线是抛物面工作区·图源南仁东《fast项目介绍》
观测脉冲星有什么实际应用？
fast 发现这么多脉冲星，那么观测脉冲星有什么实际应用？它的用处还真不少。
当脉冲星发来的信号穿越星际时，会被沿途的电离气体阻碍，造成延迟。路程越长，电离气体越多，迟到越厉害。如果知道了脉冲星离我们有多远，再通过精密测量延迟的程度，就能反推信号沿途的星际介质分布情况。
影响脉冲星信号的还有磁场，当电磁信号经过磁场时，它的偏振属性会被改变，磁场越强，改变幅度越大。测量信号的偏振，能够反推信号沿途的磁场分布情况。
当超大质量天体扰动时空时，会产生引力波，改变脉冲星信号到达我们的时间。所以通过精确测量脉冲星周期的起伏，可以探测引力波。倘若能发现脉冲星-黑洞双星系统，观测一个稳定输出的天体和一个扭曲时空的天体如何搅拌乾坤，就更能检验广义相对论的预言，大大推动基础物理研究。
脉冲星的自转周期非常稳定，有些在长期表现上堪与原子钟媲美，并且它们“永不断电”，可比原子钟皮实多了。将脉冲星和原子钟结合起来，可以建立长时间稳定的精准时间系统，甚至用于星际导航。
旅行者“地球之声”金唱片左下方以14颗脉冲星指示太阳系的方位。图源nasa
最后总结一下，fast和它发现的脉冲星们，会帮助我们更好地认识宇宙，而这些发现，说不定有朝一日还能够帮助人类在星海中航行。
策划制作
作者丨曲炯 科普作者
审核丨刘茜 北京天文馆研究员
策划丨丁崝
责编丨丁崝
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