中国天眼FAST发现的脉冲星是什么？能吃吗？

wakeman

在贵州的崇山峻岭之中，有一座巨型望远镜——500米口径球面射电望远镜（FAST）“中国天眼”，正以其强大的观测能力不断刷新着人类对宇宙的认识。据中国科学院国家天文台发布的消息，中国天眼目前已发现超过1000颗脉冲星，这比同一时期世界上其他望远镜发现脉冲星数量的总和还要多。

▲脉冲星的想象图，图片来源: NASA


那么，脉冲星是什么呢？脉冲星其实是一种中子星。一般来说，中子星是大质量恒星在演化末期发生超新星爆炸后形成的遗迹，能够产生中子星的恒星质量大约为太阳质量的8到20多倍。作为宇宙中的一种奇异天体，中子星的个头很小，直径大约仅有10-20千米，却拥有极大的质量和超高的密度。正如它的名字那样，中子星几乎全部由中子构成，可以将其理解成一个巨大的原子核。它们的质量大约是太阳的1.4到2倍，这意味着其密度大约是每立方厘米几亿吨，上面的一小撮物质的质量和地球上的大型山脉相当，这也是宇宙中密度最大的物质之一，正因其极端致密才可以抵抗引力恐怖的压缩。中子星还拥有宇宙中最强大的磁场之一，表面磁场强度可达108至1015高斯，比地球上任何人造磁场都要强得多。目前人类产生的最强稳态磁场约为45万高斯，而地球表面的平均磁场强度仅约为0.5到0.6高斯。中子星的自转速度也非常惊人，多数中子星每秒能转几十到几百次。

▲脉冲星艺术效果图，图片来源：littleastronomy.com


中子星通常会从磁极附近发出辐射束，辐射束的方向与磁轴近似一致。当磁轴与自转轴的方向不一致时，辐射束便会像灯塔发出的光柱一样在宇宙空间中不断扫射。当中子星的辐射束恰好扫过地球时，我们就可能观测到它的辐射信号。这种中子星就被称作脉冲星，有时也被叫作“宇宙灯塔”。

▲脉冲星的“灯塔”效应示意动画，图片来源：wikipedia


“脉冲星”这一名称中的“脉冲”是什么意思呢？由于脉冲星自转高度稳定，所以其信号也非常有规律。1967年，剑桥大学射电天文台的博士研究生乔瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell）利用她的导师安东妮·休伊什（Antony Hewish）建设的望远镜，发现了一个非常规则的奇怪信号。这是一种每隔1.33秒出现一次的脉冲信号，就像一台精准的时钟每1.33秒“嘀嗒”一次。他们最初猜测这可能是外星人（“小绿人”）发出的讯息，但后续对信号的详细分析以及其它新脉冲信号的发现排除了这种可能性。这些周期性信号的源头最终被确认为一种新型的天体——脉冲星，后来天文学家意识到脉冲星就是中子星。1974年的诺贝尔物理学奖颁发给了休伊什，以奖励他在脉冲星的发现中所发挥决定性作用，憾失诺奖的贝尔后来也被称为“脉冲星之母”。

▲脉冲星的“脉冲”示意图，图片来源：wikipedia


脉冲星的信号极其微弱，发现它们需要灵敏的射电望远镜。2016年建成的中国天眼是目前世界上最大的单口径射电望远镜，它的口径为惊人的五百米，总接收面积达25万平方米，相当于30个足球场那么大。巨大的接收面积使FAST具有极高的灵敏度，使其能够捕捉到这些来自脉冲星的微弱信号，从而发现大量之前未知的脉冲星。中国天眼的这些发现丰富了脉冲星的种类和数量，对人类科学的进步有重要意义。

▲中国天眼

FAST

中子星是宇宙中最为神秘和极端的天体之一，它们的存在挑战着我们对物质状态和物理定律的理解。中子星拥有超强的磁场、极高的密度和强大的引力场，提供了研究极端条件下物质状态的机会，也是在强引力场下检验广义相对论的天然实验室，这些极端的条件在地球上目前还无法复制。作为大质量恒星死亡后的“残骸”，脉冲星对研究恒星演化、超新星爆发理论以及中子星的形成机制非常重要。脉冲星的辐射束能够扮演探索宇宙的探针的角色，天文学家通过分析脉冲星信号的特征，可以得知广阔的宇宙空间中的星际介质的位置和密度分布，甚至还能确定空间中磁场的情况。由于脉冲星的精确计时特性，可以选取一些脉冲星构成计时阵列，精确测量它们的信号的到达时间，使其成为探测低频引力波的有效工具。
事实上，早在上个世纪，脉冲星就为引力波的存在提供了证据。美国的两位物理学家约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和拉塞尔·赫尔斯（Russell A. Hulse）通过观测一个脉冲双星系统（即两颗中子星相互绕行）发现，这个双星系统的轨道周期由于引力波辐射而缓慢缩短，这与广义相对论的预测是相符的；他们因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

▲1993年诺贝尔物理学奖授予美国的两位物理学家约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和拉塞尔·赫尔斯（Russell A. Hulse）,以表彰他们发现了一种新型的脉冲星，这一发现为研究引力开辟了新的可能性。

此外，脉冲星在精密时间测量和航天器导航上有重要的应用前景。一些脉冲星自转周期的稳定性已经赶上甚至超过了氢原子钟，数亿年周期才会变化1秒，这说明脉冲星可以提供可能的替代原子钟的时间标准，并为未来的宇宙航行提供导航。

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