试听180秒X：什么是“脉冲星”？

引言：在无垠的宇宙中，有一种非常神秘的存在，它被称为“宇宙灯塔”，它究竟是什么东西呢？

知识点Ⅰ：“小绿人”的问候

       1967年8月6日，英国剑桥大学卡文迪许实验室，来自爱尔兰的年仅24岁的美女博士研究生乔瑟琳·贝尔，在大量且纷乱的记录纸带中伏案工作，纸带上记录着射电望远镜接收到的来自宇宙的无线电信号。突然，她察觉到一个强劲的，每隔1.337秒出现一次的脉冲信号，周期极其规则和精准。这个信号来自狐狸座内的一个特定的区域。她的导师安东尼·休伊什更具想象力地猜想这可能是外星人发送的电报，正在向整个宇宙进行广播，并且给它起了一个名字“小绿人”。

1899年，科幻故事中出现了关于“绿色皮肤的小外星人”的描述后，“小绿人”几乎就成了外星人的代名词。（来源：deviantart.com）

        接下来几个月里，贝尔和同事又发现不同天区存在着另外3个周期各异的脉冲信号源。显然，不可能有三个“小绿人”在不同方向、同时向地球发射不同的脉冲信号。科学的理智战胜了科幻的妄想。他们再经过射电望远镜的色散测量，得出脉冲信号源来自距离地球几千光年的地方，这意味着信号源应当是银河系中的某个天体。1968年，“脉冲星”这个名字首次出现在英国《自然》杂志刊登的论文中。脉冲星的意外发现后来被称为20世纪天文学的四大发现之一，为天文学和天体物理研究开辟了新的领域，对现代物理学的验证产生了深远的影响。

知识点Ⅱ：什么是脉冲信号

       这是人类发现的第4颗脉冲星的音频，有着1.1878s的脉冲周期，这可是1968年5月9日的珍贵录音，录制这段音频的望远镜就是非常著名的位于波多黎各直径300米的大型射电望远镜“阿雷西博”（Aricebo），它一直是我们寻找外星人重要装备，如果看过电影《007：黄金眼》的朋友一定印象深刻。在整个相对连续的信号周期内短时间产生的信号就叫做脉冲，也可以表示为一个物理量在短持续时间内突变后迅速回到其初始状态的过程，就像我们人的脉搏一样。

人类发现的第4颗脉冲星的音频

        想象一下，灯塔为什么是一闪一闪的？那是因为灯塔正以某个周期稳定地旋转，当灯光束扫到你的时候就看到亮点，当光束没有扫到你的时候呈现出来就是暗的，所以就一闪一闪的。只不过，脉冲星并非或明或暗地闪烁发光，而是时隐时现的无线电脉冲。因此，天文学家马上就猜测，望远镜所看到的这个周期性的脉冲信号就是暗示着一个天体正在自转，当这束无线电波扫过地球的时候，就被我们的射电望远镜记录下来了。许多脉冲星的射电辐射非常强，但可见光辐射却非常弱，目前已知的几千颗脉冲星全部都是肉眼不可见的。既然是电磁波，那就一定与磁场有关系，所以脉冲星的射电脉冲一定是来源于星体的磁极。跟地球一样，地磁南北极一定是磁场最强的地方，但磁极与自转轴并不完全重合。脉冲星拥有极其强大的磁场，地球有磁场大约是0.5-0.6高斯（1高斯=10-4特斯拉），太阳的磁场总体也只有几高斯，而大多数脉冲星的磁场强度高达1012高斯的磁场，也就是地球的1000亿倍！

脉冲星灯塔模型（图片来源：cms.kdis.edu.cn）

知识点Ⅲ：小而密

        人们发现脉冲星的脉冲周期都很短，也就意味着这个旋转着的灯塔转速非常快。船帆座脉冲星的脉冲周期是89毫秒，相当于1秒钟转11圈，这甚至超过了直升机旋翼的旋转速度！迄今已观测到的最慢的脉冲星的周期间隔也不过11.765735秒（编号为PSR-J1841-0456），而最快的脉冲星是2004年发现的（编号为PSR-J1748-2446），周期只有0.001396秒，即1.4毫秒一圈，或者说是一秒钟转716次！这些毫秒级的脉冲星就被称为毫秒脉冲星，它们是现在天文研究最前沿的内容。

        脉冲星应该是个恒星，那么它们为什么会转得那么快呢？物理学里有个非常重要的概念叫角动量，是物体绕轴的线速度与其距轴线的垂直距离的乘积。根据角动量守恒定律，物体绕轴旋转线速度越大，它距自转轴的距离就越短。如果要让太阳的自转周期减少到只有100毫秒的话，它的直径将只有几十公里！然而实际上，绝大多数脉冲星直径都只有20公里左右。

如果把脉冲星放到地球上仅仅相当于一座城市大小，图片中间是曼哈顿。（来源：spacefellowship.com）

知识点Ⅳ：宇宙最准时钟

        脉冲星不仅个头小转得快，而且自转周期极为稳定，因为它几乎完全靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量，因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢，以致于信号周期的精确度能够超过原子钟，从而成为整个宇宙走的最准的钟。在上世纪70-80年代，美国航天局发射了先驱者10号、11号，旅行者1号、2号，携带着一张镀金铝板，如先驱者号上的那块铝板上画着一个男人和一个女人的形象。那个男人举起右手正在打招呼，而右手边有着好几条线条，实际上那就是脉冲信号。这些是当时人们发现的银河系中的14个脉冲星，我们认为脉冲星有着非常稳定的脉冲周期，既然我们能测定这14个脉冲星，那么如果当外星人的文明达到一定高度的话，他们的无线电技术，包括射电望远镜应该也不是问题，我们也完全有理由相信，他们会发现空中的脉冲星。

先驱者号上携带的镀金铝板（来源：NASA）

        另外，有一个引力波研究项目正指望通过组建一个脉冲星网络来探测低频引力波。LIGO探测到两个恒星级黑洞合并产生了引力波，那个震荡频率为300Hz。但如果是两个超大质量黑洞的并合，其产生的引力波频率要低得多得多，纳赫兹就是10-9Hz，换算成时间就是10亿秒才振荡一周，探测难度是相当大的。研究人员认为我们可以标定许多个脉冲星，组成一张大网，就像蜘蛛网一样，每一个脉冲星连着一条蛛丝，地球好比趴在蜘蛛网中央的大蜘蛛。蛛丝越多，探测的范围和灵敏度越高。当某个地方发生了星系级超大质量黑洞的并合，就好比蜘蛛网上粘上了一只小蚊子，产生的引力波引起蜘蛛网的时空涟漪，脉冲星的信号到达地球的时间就会发生变化，哪怕是极其细微的变化，因为毕竟它本身走的非常准嘛。这种引力波产生的时空变化，就像蜘蛛网上发生的震动，根据震动的大小，地球这个大蜘蛛就知道产生“引力波”的猎物在哪个地方了。

地球好比位于蜘蛛网中央，每一个脉冲星连着一条蛛丝，蛛丝越多，探测的范围和灵敏度越高。图中绿色网格表示引力波引起的时空涟漪，白色光束表示脉冲星的无线电脉冲信号。引力波到达地球，地球就会像漂浮在水中的小球一样摆动，脉冲星的信号到达地球的时间就会发生变化。（来源：天文茶餐厅 制图: David Champion）