脈衝星是啥，能吃嗎，好吃嗎？——近能抓引力波，遠能助星艦導航

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脈衝星於1967年發現，時隔僅7年，1974年的諾貝爾物理學獎就頒發給了脈衝星發現者貝爾同學——的導師——安東尼·休伊什（Antony Hewish）。這在諾貝爾獎「中獎」的緩衝時間中，算是快的了。

可以說脈衝星甫一進入人們的視野，就吸足了眼球。這是因為對天文學家來說太重要、太有用了。

脈衝星之所以重要，是因為它的極端物理性質：首先，它有與原子核相當的高密度，是天然的極端物態實驗室；而這麼大質量的物體如此高速運動，又使其成為極端相對論性的天體。那裡的時空環境跟我們所處的非相對論性天體的環境將會有顯著的不同。

蟹狀星雲及其脈衝星，宋代所載「天關客星」的遺迹。該圖與本段文字無關。圖片來源：NASA/HST/CXC/ASU/J. Hester et al.

脈衝星的長周期穩定性非常好，有些甚至優於原子鐘；但其周期又不是毫無變化：在光滑的脈衝星表面，偶爾也會發生一些小型的「地震」，這樣的星震會使其自轉周期發生微小的變化。

我們知道，人類之所以能夠了解地球內部分為地殼、地幔和地核的結構，是通過對地震波在全球傳播模式的監測；而脈衝星上的星震怎樣發生，同樣有望向我們揭示它的本質——脈衝星究竟是中子星，還是夸克星？

利用地震波推斷地球內部結構原理示意圖。圖片來源：石油百科

目前對脈衝星結構的猜測。圖片來源：K.C. Gendreau et al. (2012), SPIE

脈衝星中轉的尤其快的一族，被叫做毫秒脈衝星：顧名思義，它們的周期是以毫秒來計算的。如果有一顆脈衝星剛好位於雙星系統中，我們還可以通過觀測其脈衝頻率的變化，推測出它在軌道上與同伴彼此繞轉的情況。

PSR1913+16就是這樣一顆位於雙緻密星系統中的脈衝星，羅素·赫爾斯（Russell Alan Hulse）、小約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor, Jr.）兩位天文學家，在休伊什獲得諾貝爾獎的同年，使用阿雷西博望遠鏡發現。

這個發現太珍貴了。兩顆緻密星彼此繞轉時，會強烈攪動周圍的時空，以引力波的形式向外發射能量，同時逐漸消耗雙星系統的勢能、使得彼此越來越接近，繞轉速度也會越來越快，損失能量的速率越來越高。同時由於廣義相對論預言的軌道進動效應，雙星之間距離最接近的時刻也在不斷演化，而引力波輻射會給這個時刻帶來額外的變化。

因而，只要可以確定雙緻密星系統軌道周期的變化過程，就可以檢驗廣義相對論，更令人激動的是間接的驗證引力波的存在——這是在近年來激光干涉引力波技術發展起來之前，我們得以驗證引力波存在的一個捷徑。

赫爾斯-泰勒脈衝星軌道近星點時刻相對於軌道不衰減情形的累計變化量，和廣義相對論引力波輻射對軌道影響的預言（曲線）高度符合。圖片來源：J. M. Weisberg and J. H. Taylor 2004

赫爾斯-泰勒脈衝星就是驗證這一猜想的理想實驗室。自其發現到90年代初，這對雙星的軌道近星點時刻相對於軌道不衰減的情形累計有了大約10秒的變化，嚴格按照廣義相對論所預言的軌跡演進，軌道周期的變化也和引力波輻射預言高度一致。赫爾斯和泰勒兩人，也因為該發現對廣義相對論的驗證，而獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

即使在脈衝星周圍轉的不是大質量的緻密星，而是小小的行星，我們也能通過脈衝星信號察覺到它們的存在。實際上，人類發現的第一顆太陽系外的行星，就是通過這種方法發現的。

脈衝星PSR B1257+12行星系統的藝術想像圖。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

現在，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）已經直接探測到引力波的存在，並為三位相關科學家贏得了2017年的諾貝爾物理學獎。但脈衝星觀測仍然有機會再次在引力波探測領域一展身手：

當引力波掃過地球周圍，它將在較大尺度上同時影響多顆脈衝星傳播到地球的信號。如果我們對臨近脈衝星的周期保持長期監測，就有望通過其周期的整體變化規律，探測到掃過銀河系這一角的引力波的存在。

脈衝星計時陣列觀測引力波。圖片來源：David J. Champion

這被稱為「脈衝星計時陣列」方法。

這個思路與LIGO相比，各有千秋：LIGO只能探測比較高頻的引力波信號，而脈衝星計時陣列則專註於極低頻的引力波信號：它能探測的引力波頻率，比LIGO敏感的頻率範圍，要低10~12個數量級。

如果我們能完全掌握脈衝星周期的變化規律，脈衝星在未來幾百年還將有一個重要的應用場景：

當人類的星艦駛向太陽系之外，脈衝星就成了茫茫星海中名副其實的燈塔。通過對脈衝星周期的監測，星艦可以隨時掌握自身的運動速度，進而推算在宇宙中航行的坐標。這就是所謂「脈衝星導航」。

脈衝星導航藝術想像圖。圖片來源：德國馬普地外物理研究所。圖中星艦為電視劇「星際迷航」中的企業號。

億萬星辰、億萬榮光，人類偉大理想的實現，沒有現今對脈衝星性質的紮實研究，是辦不到的。

本文系網易新聞·網易號「各有態度」特色內容。

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