探索浩瀚宇宙：瘋狂旋轉的脈衝星

知識 07-19

脈衝星的超強磁場與運動誘發的電場，為研究高能粒子加速機制、射電輻射過程提供了一個理想場所。首先，中子星的物質組成極其緻密，其中心密度是核密度的幾倍，誕生時的溫度可高達~109K，一般認為此條件下的極端壓力可能生成夸克物質。其次，脈衝星作為大質量恆星超新星爆發後坍縮的產物，理解脈衝星的形成條件和機制，有利於進一步研究超新星及超新星爆發理論。再應用研究方面，脈衝星因其自旋周期的高度穩定性相當於氫原子鐘，在時間定標和航天器導航上有非常重要的意義。

脈衝星的發現

「脈衝星之母」喬瑟琳·貝爾女士

曾任英國皇家物理學會會長、英國皇家天文學會會長、皇家蘇格蘭愛丁堡學會會長

1967年8月，英國劍橋大學的安東尼·休伊什 (Antony Hewish) 和他的研究生喬瑟琳·貝爾 (Jocelyn Bell) 開始使用射電望遠鏡 (無線電陣列天線) 在南北天區進行「行星際閃爍」的觀測，這是星際介質或太陽周圍的行星際帶電粒子導致的無線電信號流量有規則的變化和起伏，可由此探測空間的電磁波與介質的相互作用特性。貝爾夜以繼日地工作，在大量並紛亂的記錄紙帶上仔細摸索射電閃爍信號的特徵，這是太陽系帶電介質干擾星空無線電傳播的結果，其流量呈現出射電波秒量級的准周期變化。此現象可以類比於「天上的星星在眨眼」，這源於由地球大氣層擾動引發的光學波段的閃爍。如圖1(a) 所示，其分別表示來自三個不同星體的閃爍信號。然而，貝爾偶然察覺到一個奇怪且周期極其規則的「干擾」信號，它為每隔1.337s精準時間的脈衝信號，如圖1(b) 和 (c) 所示，其為貝爾觀測到脈衝星信號的原始記錄。他們最開始認為這可能是來自地球的信號，可當他們查遍英國當時所有的無線電頻率後，很快就排除了這種想法。在之後的觀測中，貝爾發現脈衝信號曾在觀測記錄里重複出現，按時間推算，每次正好相隔23小時57分鐘，和其他天體出沒的周期相同，這表明這個脈衝信號來自宇宙天體。這令她十分詫異，難道宇宙的「心電圖」存在「人為故意」的鐘錶準時效應？

圖1　幾個閃爍、干擾和脈衝星的原始記錄

得知這一令人難以置信的觀測分析，她的導師休伊什曾猜想這可能是外星人—— 「小綠人」發出的莫爾斯電碼在向地球呼叫。然而，進一步查找觀測數據表明，這個脈衝信號的頻率極其精確。接下來，貝爾和同事在不同天區又發現2個周期各異的脈衝信號源，這便排除了外星人信號，因為不可能有3個「小綠人」在不同方向、同時向地球發射不同的脈衝信號。接著，他們進一步分析發現，這個脈衝信號的周期精確得令人難以置信，其變化率約10?15s/s，亦即千萬年內的時間變化大約為1s，這是精準的氫原子鐘精度。再經過射電望遠鏡的色散測量，貝爾得出脈衝星距離地球大約是幾萬光年，這意味著脈衝信號源於銀河系起源的天體。經過一番努力，貝爾和休伊什在 Nature 雜誌上發表了發現脈衝星的論文，並認為脈衝星可能就是物理學家預言的超級緻密的中子星。這是一個意外的重大發現，消息很快轟動了國際科學界。脈衝星與星際分子、類星體、微波背景輻射並稱為20世紀天文學四大重要發現，為天文學和天體物理研究開闢了新的領域，而且對現代物理學的發展產生了深遠影響。

發現蟹狀星雲脈衝星的意義

1967 年，脈衝星被認證為轉動的中子星，其發現被譽為20世紀四個重要天文學發現之一。接下來，天文學家將目光投向中子星的「母親」，其前身星到底是什麼？中子星誕生後，其附近的遺迹是什麼樣子？難道1054年的客星與中子星存在必然聯繫嗎？1968年，美國天文學家使用阿雷西博射電望遠鏡，其305m口徑是當時世界最大，不出預料，他們在蟹狀星雲中發現了一顆脈衝星(編號 PSRB0531 21)，即蟹狀星雲脈衝星。這一事件振奮人心，它解答了天文學家的長期困惑——客星到底是怎麼形成的？自此，客星與脈衝星的前世今生謎底告破，那顆1054年的客星是一顆「吉星」，不是「剋星」，它為人類認識恆星演化終結提供了第一手參考樣本。

1054年7月4日 (宋至和元年) 的星空突降「客星」，遭遇了一次千載難逢的重大「天象」。金牛座的天關星附近突然闖進一個「客星」，異常明亮——這也就是後來天文學家所定義的蟹狀星雲超新星。「客星」是中國古代欽天監對彗星、新星或超新星的統稱，意寓此類天體如「客人」一樣偶出於天空常見的星辰之間。經天文學家測定，這次爆發距地球6500光年，屬於一次大質量恆星演化到晚期的劇烈死亡事件。經歷了超新星爆炸後，其殘留物留下一片橫行的蟹狀星雲，留住於金牛座這個北半球冬季夜空耀目的星座。「客星」代表著祥瑞還是災禍，這是不可泄露的「天機」，在皇權天授的封建迷信時代，觀天占卜、預測吉凶是天文學家和天象學家的神聖職責，然而此神奇「客星」千古稀罕、自古未聞。可以想見，那時滿朝文武、上下官吏、皇家庶民整日驚慌失措、惶恐不安。萬分幸運，這顆「客星」可謂千古吉祥，宋朝進入人類文明的新時代，迎來科技發展、經濟富足、文化繁榮。

現代天體物理學告訴我們：一顆10M⊙以上的大質量恆星，演化到晚期時，將經歷超新星爆發，其核心將形成一顆中子星，而由外部物質爆炸擴散而形成我們所看到的星雲，即超新星遺迹。

1054年客星與脈衝星的密碼被破解，這不僅是天文界的巨大進展，也是中國古人的驕傲。我國宋朝天文學家如果聆聽到現代科學的迴響，那是無比的意外和驚奇。細心反思，客星與脈衝星關聯的千年尋找，那是偶然的相遇，還是必然的擁抱？這個事件給予我們哪些深刻的文明哲理？確切地說，假如沒有千年前古代科技的積累和傳播，哪來的現代科技文明？如果我們將現代科技體系比喻成一棵大樹，那麼通過蟹狀星雲事件管中窺豹，我們會發現：其樹苗栽培於中國，而繁茂結果於西方。這顆高速自旋的蟹狀星雲脈衝星，證明了20世紀30年代科學家們對中子星的預言，並肯定了恆星演化理論：超新星爆發時，氣體外殼被拋射出去，形成超新星遺迹，就像蟹狀星雲，而恆星核心卻迅速坍縮，由恆星質量的大小決定它的歸宿是顆白矮星、中子星或是黑洞。

圖2　斯皮策太空望遠鏡拍攝的蟹狀星雲

圖3　脈衝星的輻射光錐示意圖

天文學家們的進一步觀測發現：蟹狀星雲脈衝星是顆強大的電磁輻射源，它以固定且很短的周期釋放輻射脈衝，其轉動周期僅有33ms，即每秒轉動33圈——這是個令人難以置信的高速運動。現已證明，這是因為高速自轉的中子星具有超強磁場——相當於地磁場的萬億倍，超強磁場的極冠將輻射約束成很窄的高能粒子，產生電磁波束向外釋放。

客星與脈衝星回答「李約瑟難題」

「李約瑟難題」是由英國學者李約瑟在其編著《中國科學技術史》的過程中提出的，其主題是：「為什麼中國古人 (尤其是宋人) 對人類科技發展做出了很多重要貢獻，而科學和工業革命沒有在近代中國發生？」1976年，美國經濟學家肯尼思博爾丁稱之為「李約瑟難題」。

這一問題讓無數人深思，尤其是國人。

後來，中國國內亦曾有「錢學森之問」，即「為什麼我們的學校總是培養不出傑出人才？」可謂與「李約瑟難題」一樣，都是對中國科技界的憂思之問。有些人把「李約瑟難題」進一步推廣，推論出「中國近代科學為什麼落後」「中國為什麼在近代落後了」等。這一系列的追問，我們曾經無法回答，但是，我們始終感到重任在肩，芒刺在背。

今天，當時光快車定格在2018年，指向貴州平塘縣的中國天眼500m口徑世界最大射電望遠鏡，它已經不負使命發現了40多顆新脈衝星；而且，科學家們正在對其安裝世界最先進的19波束接收機，這將對新脈衝星的發現有質的提升。可以說，這一點，至少從某種程度上回答了「李約瑟難題」，也回應了「錢學森之問」。

圖4　500m口徑球面射電望遠鏡FAST

我們1054年開始的「天問」穿越旅行，終於完成了「客星」與脈衝星的千年「團聚」。這看上去似乎無關的科學事件，但重新思考後，或許另有玄機。假如以千年的尺度審視人類共同體的文明進化，我們得到這樣的結論：科學的童年源自中國宋朝，而科學的成長在於歐洲文藝復興，其間東西方科技的相互移植和交流得益於元朝。「客星」與脈衝星的千年握手，其前世今生的追蹤，拉扯出東西方文明的互動，也間接回答了「李約瑟難題」：那就是東西方文明通過「一帶一路」的交流，共同攜手創造了人類的科技體系，這是人類長達千年的互動接力，而中華民族為人類文明共同體的建立點燃了原始科技火種並播撒了萌芽的種子。

中國天眼FAST仰望天空，不僅發現了宇宙奧秘，也找回了中國的文化自信和道路自信，重新認識了中國對於人類文明無法替代的貢獻，在實現中國夢的征程上，中國天眼FAST承載了中華民族復興的新目標和新使命。

本文摘編自張承民，潘元月，王德華，楊佚沿編著《中子星與脈衝星天體物理》第1章及第7章部分內容，略有刪減改動。

《中子星與脈衝星天體物理》

作者：張承民，潘元月，王德華，楊佚沿

責任編輯：周涵，張曉雲

北京：科學出版社，2019.6

ISBN：978-7-03-049282-1

《中子星與脈衝星天體物理》包括中子星和脈衝星的基礎知識，這是伴隨空間科學和地面射電望遠鏡進步的新學科，涉及衛星探測的天體高能現象和能譜與時變的數據分析，還包括中子星/脈衝星的多種現象，諸如高能爆發、X射線、射電輻射、雙星系統中吸積加速形成毫秒脈衝星。作者汲取國際最新科學成就，將新的科研成果寫進本書。

閱讀本書不需要預先具備天體物理和天文學的特定知識，對於理工科學生，他們只要有興趣了解天文學和天體物理進展，就完全可以閱讀本書。對於業餘和專業的天文觀測者來說，本書是其良師益友，能快速了解脈衝星的基礎知識，而不需要投入大量時間去研修現代物理知識。

北京大學天文系喬國俊教授

中子星與脈衝星是中國天眼FAST的重要科學目標，相關書籍對於我國研究生系統學習提供了不可多得的教材，故而欣然推薦張承民研究員的傾力貢獻。

北京大學天文系吳鑫基教授

張承民的中子星與脈衝星天體物理書籍是一本及時的相關研究和教學資料，這對於中國天眼FAST的科學目標的實施具有裨益。本人與作者合作始於1990年代，深信此書的知識面廣博，書寫深入淺出，並給學生們帶來學習興趣。