一閃一閃脈衝星

在50年前的那個夏天，一位劍橋大學的博士生 Jocelyn Bell 使用她導師 Anthony Hewish 新設計的一台射電望遠鏡來尋找類星體（quasar）。那時天文學家對類星體的了解是，它們是非常遙遠的星體，會發出忽強忽弱的不規則的射電信號。長長的數據帶上，Bell 在小於一英寸的區域察覺到了她稱之為「頸背（scruff）」的奇怪圖案，這個信號強勁且規律的，她意識到這異樣的背後可能蘊藏著一個新奇的事件。

1967年，利用在劍橋大學的81.5兆赫的望遠鏡，Bell在數據帶上小於一英尺的區域發現了奇怪的「頸背」圖案。

這種脈衝信號精準的每隔1.337秒重複出現，而當時並沒有什麼已知顯而易見的天文現象能產生這種規律的快速脈衝。Bell的同事問她的第一個問題就是她是否把線接錯了。Bell 回憶說：「那時我已經習慣了這種質疑了，當時我只是一名博士生。另外，我是一個女人。以前在格拉斯哥上本科學位時更糟，在那裡，每當一個女生進入課堂時，所有的男生都會吹口哨、拍打桌子、發出嘲笑的噓聲。劍橋更加紳士，但也更加傲慢。我覺得自己就像是一個來自北愛爾蘭的騙子，覺得有人會發現我然後把我扔出去。我只能儘可能努力的工作，所以當發生這樣的事情時，我會有一個清醒的認知。」

起初 Bell 想：我該不會是發現外星文明了吧！所以一開始，他們玩笑的將這個信號取名為 LGM-1，它是 Little Green Man 這三個單詞的首字母縮寫，意思是「小綠人」。（在西方文化中，一般「小綠人」來描述外星生物。現在已被正式改名為CP1919或PSR1919+21。）

但外星信號這一想法很快就被擊破了，因為他們接二連三的發現這種信號，每個都有自己不同的周期。如果說探測到一個這樣的「外星文明」是嘆為觀止的科學發現，那以這種方式探測到兩個三個這樣的「外星文明」，基本上就告訴你它根本不是什麼外星文明了，除非一大群外星人從宇宙的不同地方向我們發送信號。Bell 後來回憶說：「當時我們並沒有真的相信這是來自另一個文明的信號，但顯然我們腦海中有過這個想法，而且當時我們並沒有證據證明它是完全自然的射電信號。這真是一個有趣的問題，如果真的有人認為自己可能探測到了宇宙里的其他生命，那麼該如何負責任地宣布這一結果呢？」

這些奇異的信號必須有一個自然的解釋。它必須是來自一種新的恆星，1968年，Bell在《自然》雜誌上發表了這一發現[1]。這種星體後來被稱為脈衝星（pulsar）。

藝術渲染圖：脈衝星和兩束噴流。（圖片來源：NASA s Goddard Space Flight Center）

當 Hewish 和 Bell 宣布這一發現時，美國天文學家 Thomas Gold 建議說，這些物體可能是快速自轉的中子星。 Fritz Zwicky 和 Walter Baade 曾在1934年，也就是發現中子的兩年後提出了這種星體的存在。這一預言遵循的原理是，在超新星爆炸之後的遺留物將被壓縮成一個具有恆星質量並且幾乎完全由中子構成的緻密星體。

Gold 認為這種中子星會快速旋轉，其強烈的磁場產生的輻射束就像旋轉的燈塔一樣。最初他的這一理論被科學界忽視，甚至被禁止在第一屆脈衝星國際研討會議上作發表。但是，沒過多久，在同年晚一點的時間，一切都發生變化了：在蟹狀星雲中發現了一個周期為33毫秒的脈衝星。

蟹狀星雲其實是一個超新星遺迹，那顆超新星曾在1054年被觀測到。（圖片來源：ESO）

1974年，Hewish 因發現脈衝星而獲得了諾貝爾物理學獎。而在這一發現中扮演著主角的 Bell 卻沒有因此獲得什麼榮譽。然而，這樣的不公在科學史上也不是一兩回了。

Bell 還回憶過說，在發表第一篇關於發現脈衝星的文章時，她用的名字是S. J. Bell，因此起初新聞界沒有人意識到她是個女人，更不用說是年輕的女人了。當他們發現時，突然就有許多電話記者打電話詢問她是黑髮還是金髮，好像就沒有其他顏色被允許似的。她還被問到她有多高，還被攝影師詢問是否可以解開上衣的頂部的紐扣……這顯然是一段酸澀可笑的回憶，Bell 說：「我可以表現出尖酸刻薄的姿態，但那時我不能那樣做。因為實驗室需要宣傳，而我需要一份用於尋找下一份工作的好的推薦信。」

宇宙燈塔

現在，天文學家對中子星的研究已經持續了半個世紀。我們對它們的了解越來越多，但仍存有許多未解之謎。它們的確是超新星在爆炸過程中創造出來的，並在創造之初可以每秒旋轉近千次。正如 Gold 最先提出的那樣，這會產生一個巨大的磁場，其強度可以是地球數萬億倍。這又進而產生電場，能向外加速在中子星磁極的兩束強輻射中的電子和其他帶電粒子。和地球一樣，中子星的磁極方向與其旋轉軸並非完全一致，所以光束會像宇宙燈塔一樣掃過天空。當脈衝星光束指向我們的方向時，每旋轉一次就能讓射電天文學家探測到射電脈衝波。

顯示了從中子星兩極輻射出的脈衝束。（圖片來源：NASA/Fermi/Cruz de Wilde）

旋轉的磁場就像是中子星旋轉的制動器，其產生的脈衝能將損耗的轉動能傳遞到周圍的星雲，使得旋轉速度逐漸降低。蟹狀星雲內的中子星大約是在一千多年前形成的，現在每秒旋轉約30次。通過計算髮現，由旋轉的中子星失去的轉動能的值與照亮這顆星雲所需的能量相匹配。脈衝星的壽命有限，在約為100萬年的時間裡，中子星的旋轉周期將增至約1秒鐘，到了那時將沒有足夠的能量為脈衝星提供動力，因而使得這顆脈衝星從我們的視野中消失。

但對於一顆聯星系統中的中子星，它可能會從其正常的伴星身上吸積物質。這極有可能在伴星變成紅巨星過程中外層脫落時發生。在這個過程中，中子星能夠吸收伴星的角動量，從而加速中子星的自轉，這會讓一顆已經沒有動力的中子星死而復生。這被認為是毫秒脈衝星的起源，它們被觀察到具有極短的自轉周期。目前，已知周期最短的脈衝星是PSR J1748-2446ad，它每秒鐘旋轉716次。

奇異的材料

中子星的結構比他們的名字更為複雜。它們的半徑只有10到15公里，它們的結構隨著由外向內不斷變化。中子星的外殼（outer crust）被一層幾厘米厚的熱等離子大氣層包圍，外殼是由類似白矮星的物質構成的，包含了簡併電子海中的重核，其密度約是水的100萬倍。向內移動，密度迅速增加。當抵達內殼（inner crust）時，原子核中的中子的比例隨著遊離中子的密度急劇增加，直到到達密度為水的約100萬億倍的臨界值。

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中子星的層層結構。大部分脈衝星都來自高速旋轉的中子星。（圖片來源：NASA』s Goddard Space Flight Center）

進入外核（outer core）後，能發現它幾乎完全由中子和少量質子、電子和μ子構成。目前我們還不知道在中子星最中心形成其內核（inner core）的材料的物理結構。有幾種不同的可能性已經被提出，其中包括一些令人難以置信的建議，如被稱為奇異重子的緊密堆積的粒子，它們就像是更重的版本的包含奇異夸克的質子和中子；又比如由夸克和反夸克組成的被稱為π介子和K介子的玻色-愛因斯坦凝聚態；又或者可能是某種夸克-膠子等離子體，這是目前大型強子對撞機正在探索的一種極端態的物質。

我們認為中子星的質量有一個上限，大約在太陽質量的兩到三倍之間。一旦中子星的質量超越這個上限，將沒有任何東西可以阻止它繼續坍縮，並最終形成一個黑洞。

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NASA在六月份發射了首個中子星探測器NICER，被安置在國際空間站頂部，試圖揭開脈衝星的層層謎題。（圖片來源：NASA』s Goddard Space Flight Center）

脈衝星的研究

50年過去了，科學家從沒有停止對脈衝星的探索。現在，已知的脈衝星超過了2000顆，它們是一個多樣化的群體。但共同點是它們都是非常緻密且快速旋轉的中子星。隨著它們的旋轉，一束束射電波如燈塔般規律地掃過地球。這種信號是如此規則，使脈衝星可以成為非常精確的時鐘。不僅如此，對脈衝星的研究也可以幫助我們檢驗愛因斯坦的廣義相對論，以及觀測大質量物體是如何通過扭曲周圍的時空來產生引力的。

到目前為止，愛因斯坦的理論通過了所有最嚴苛的考驗，但科學家仍然在想方設法的檢驗它的有效性，因為引力還無法與自然界的其他基本力統一。目前科學家只在引力相對較弱的環境中驗證過相對論，比如在太陽系中。而聯星系統的發現，可以幫助我們檢驗當引力效應特彆強的時候會發生什麼。

科學家也在使用脈衝星信號中的干擾來檢測影響時空的引力波。 LIGO實驗已經探測到兩個黑洞合併時產生的引力波，但脈衝星信號可以讓我們看到不同的事情，比如在星系中心的兩個超大質量的黑洞合併時會發生什麼。

Bell 在一個採訪中說：「當我看到第一次看到這個信號時，我無法想像現在所研究的這一切。我很高興我注意到了那一點『異樣』，並且堅持相信那是真實的。」

參考鏈接：

[1] https://www.nature.com/nature/journal/v217/n5130/pdf/217709a0.pdf

[2] http://quantumwavepublishing.co.uk/the-ultimate-in-heavy-metal-space-rock/

[3] https://phys.org/news/2017-08-nasa-pulsars-years-chance-discovery.html

本文轉載自《原理》微信公眾號

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