張軒中

2018年4月28日，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)在貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）首次發(fā)現(xiàn)了毫秒脈沖星，并且這個(gè)結(jié)果得到了國際認(rèn)證。這一重要成果，引起科學(xué)界及媒體廣泛關(guān)注，那么，這到底是怎么一回事呢？

FAST射電望遠(yuǎn)鏡，就像一臺(tái)黑白電視機(jī)

不知道你們的爸爸媽媽有沒有講過他們小時(shí)候家里的黑白電視機(jī)，那時(shí)候沒有有線電視，接受電視信號(hào)主要靠家外面的那根毛竹天線。黑白電視機(jī)上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)很多雪花，這些雪花其實(shí)就是射電信號(hào)。

在貴州平塘縣克度鎮(zhèn)的500米球面射電望遠(yuǎn)鏡，其實(shí)本質(zhì)上就好像一臺(tái)黑白電視機(jī)，它也可以接收到很多“雪花”——這些信號(hào)來自遙遠(yuǎn)的外太空。

FAST是我國的一個(gè)重大科研項(xiàng)目，總投資額在10億元左右，從某種意義上來說，它相當(dāng)于我們國家有了自己的“天眼”，其意義非同小可。除了接收宇宙天體發(fā)射來的射電信號(hào)，其實(shí)只要稍加改造，它還可以當(dāng)雷達(dá)用，天上的隱形飛機(jī)反射的雷達(dá)信號(hào)也是可以被它“看到”的。

脈沖星，如同游樂場里規(guī)律掃射的探照燈

很多人可能不知道，F(xiàn)AST射電望遠(yuǎn)鏡擔(dān)負(fù)的一個(gè)重要科研目標(biāo)是探測更多的脈沖星。

那么，什么是脈沖星呢？

顧名思義，這里“脈沖”的含義可理解成如脈搏一樣的沖擊，只不過我們?nèi)祟惖拿}搏一般固定在每秒跳1次左右，而大部分脈沖星的“脈搏”比人類的脈搏要快得多。脈沖星就是指不斷發(fā)出電磁脈沖信號(hào)的星體。

脈沖星的脈搏是怎么產(chǎn)生的呢？

這個(gè)問題其實(shí)不難回答，因?yàn)樗c宋朝的沈括在《夢溪筆談》中談到的“地磁偏角”有相似點(diǎn)。

地磁的北極與地理的南極并不完全重合，它們之間的夾角就是地磁偏角。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)的時(shí)候，地球的磁場也會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)。

對于脈沖星來說，情況也是類似的。只不過脈；中星其實(shí)是一種中子星。脈沖星就是自轉(zhuǎn)軸方向與磁軸方向有交角的中子星（一種介于白矮星和黑洞之間的星體）。

中子星與地球一樣，也有磁偏角，因此中子星轉(zhuǎn)起來會(huì)發(fā)出電磁脈沖——從中子星磁場的南北極射出來，角度如果正好對準(zhǔn)地球的話，中子星每自轉(zhuǎn)1周，這個(gè)輻射就會(huì)掃到地球1次。這種情況非常像是一個(gè)放在游樂場摩天輪上的探照燈，摩天輪旋轉(zhuǎn)起來的時(shí)候，探照燈發(fā)出的光會(huì)不停掃過摩天輪邊上的海盜船，每次掃過海盜船的時(shí)間間隔就被稱為周期。

毫秒脈沖星，上演比芭蕾舞演員更厲害的旋轉(zhuǎn)

前面已經(jīng)說到，脈沖星其實(shí)是中子星，而中子星的質(zhì)量不能太大——太大了就會(huì)變成黑洞。根據(jù)美國的“原子彈之父”羅伯特·奧本海默等人的計(jì)算，中子星的質(zhì)量一般是2倍太陽質(zhì)量左右。中子星絕大部分是中子，中子與中子就好像乒乓球一樣堆在一個(gè)房間里，中間沒有什么空隙。所以，中子星的密度非常大，這使得中子星的半徑很小，一般只有20千米。那么小的一個(gè)中子星，自轉(zhuǎn)起來的角速度便可以非常大。

但中子星也不能轉(zhuǎn)得太快，因?yàn)檗D(zhuǎn)得再快也不會(huì)超過光速，這樣就給出了中子星的角速度上限。根據(jù)牛頓萬有引力以及圓周運(yùn)動(dòng)的公式，就可以估算出中子星最快能旋轉(zhuǎn)的周期是0.5毫秒——也就是大概每秒自轉(zhuǎn)2000轉(zhuǎn)。一個(gè)芭蕾舞演員每秒能原地轉(zhuǎn)3圈，而一個(gè)中子星最快每秒能轉(zhuǎn)2000轉(zhuǎn)，所以這是很厲害的了。

也正因?yàn)槿绱?，在太空中存在大量的脈沖星，它們以相當(dāng)快的速度自轉(zhuǎn)，大概每秒轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)，也就是說周期是1毫秒——因此，這樣的脈沖星就被稱為“毫秒脈沖星”。

根據(jù)能量守恒定律，脈沖星不可能一直輻射能量而不損失能量。脈沖星損失的正是它的自轉(zhuǎn)動(dòng)能，這也將導(dǎo)致它的周期逐漸變長，最終進(jìn)入脈沖星“墳?zāi)箙^(qū)”。進(jìn)入墳?zāi)怪埃}；中星的輻射會(huì)變得時(shí)有時(shí)無，最終進(jìn)入墳?zāi)埂八廊ァ保辉侔l(fā)出輻射。不過“墳?zāi)箙^(qū)”僅僅只是理論研究結(jié)果，實(shí)際上也有“僵尸”脈沖星存在（處在墳?zāi)怪械匀话l(fā)出信號(hào)）。

有一部分脈沖星比較幸運(yùn)，它們邊上有另外一顆恒星。這就是雙星中的脈沖星。這些脈沖星，當(dāng)距離邊上的恒星足夠近時(shí)，可以通過吸收對方的物質(zhì)來“抵抗衰老”。在吸收物質(zhì)的過程中，這些脈沖星的自轉(zhuǎn)速度會(huì)越來越快，脈沖信號(hào)的周期隨之變短，它們的周期變化率也會(huì)變小，即周期更加穩(wěn)定。它們就這樣靠著他星的能量，慢慢地從“正常脈沖星”，最終演變成為一顆毫秒脈沖星。

FAST是中國擁有的探測宇宙的最好儀器，發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星這確實(shí)是一件可喜可賀的大事。這個(gè)500米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星是非常重要的進(jìn)展，因?yàn)槲覀冎袊坝锌趶綖?米、20米、100米射電望遠(yuǎn)鏡，但都沒有發(fā)現(xiàn)過毫秒脈沖星，這展示了FAST在脈沖星搜尋方面的重大潛力。這顆毫秒脈沖星J0318+0253的周期為5.19亳秒，它的發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)于我們在天空中找到了一個(gè)精確的時(shí)鐘。同時(shí)，此次發(fā)現(xiàn)還大幅度提高了脈沖星陣探測引力波的靈敏度，為進(jìn)一步探測引力波提供更多可能。

FAST目前還在調(diào)試階段，還沒有正式服役，就能有此突破可喜可賀，希望FAST能有更多新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。