宇宙“航标”：神奇的脉冲星

本文转自：解放军报

宇宙“航标”：神奇的脉冲星

■周雨豪 姚昌松

今年4月，一则有关“中国天眼”FAST的消息，登上了各大新闻平台的榜单——“中国天眼”FAST已经发现了超900颗新脉冲星，并且计划年内将这个数字刷新到1000颗。

脉冲星究竟是什么？“中国天眼”FAST为什么要寻找脉冲星？找到以后又将展开哪些研究？请看本文解读。

恒星“内心拉扯”的结果

什么是脉冲星？

谈到脉冲星的诞生，那可是宇宙中的一场大戏。

脉冲星，实际上是旋转的中子星，因其不断地发出电磁脉冲信号而得名。这些脉冲信号具有极高的稳定性和精度，使得脉冲星成为天文学家们研究宇宙极端物理条件、测试引力理论的重要工具。

那脉冲星是怎么来的呢？其实是恒星“内心拉扯”的结果。我们肉眼能看到的“正常”恒星，内部都有两股力量在相互抗衡：引力驱使恒星物质向核心坠落，而核聚变释放的能量则把物质向外推。这两股力量相互制约，相互缠斗。因为恒星核聚变产生的燃料总有用完的一天，所以引力永远是最后的赢家。到那时，想象一下，一颗大质量的恒星在生命的最后阶段，耗尽燃料，因为自身的引力而向中心坍缩，发生猛烈内爆，再向外弥散，迸发出一朵绚烂的烟花。

人们给这一过程起了一个名字——“超新星爆发”。我国古人曾观测到一颗明亮的超新星：北宋至和元年（公元1054年），金牛座的“天关”星宿附近爆发过一颗超新星，这颗星星非常明亮，人们连续23个白天都可以看到它；夜晚的可见时间更久，足足持续了22个月。这起“超新星爆发”事件被当时的司天监记录下来，史称“天关客星”。

紧接着，整个恒星不断坍缩后，如果其质量恰好处于一个特定区间，坍缩时电子会被压入原子核中形成中子，那么它的核心可能就会变成一个中子星。而那些能快速自转并发出规律性电磁脉冲信号的中子星，就是我们所说的脉冲星了。

目前，在全球发现的3000多颗脉冲星中，绝大多数都是中子星，它们都曾经是发光发热的“正常”恒星。

脉冲星呈周期性闪烁，且脉冲间隔时间极短，每秒钟的转速惊人，其旋转速度到底有多快呢？

不少天文爱好者在形容脉冲星旋转时，前面都会缀上一个形容词“发疯般”。有一个形象的类比这样形容脉冲星旋转速度之快：“如果你站在脉冲星上，根据相对论原理，你的一天可能连1秒钟都不到就过完了。”

脉冲星被誉为20世纪60年代天文界的四大发现之一，但其却是在无意间被发现的。

1967年，还在剑桥大学读书的24岁研究生乔丝琳·贝尔，在一次检测射电望远镜收到的信号时，无意间发现了一些有规律的脉冲信号。这些信号的周期十分稳定，起初她还以为这是外星人发来的信号，便默默地记录下来，并开始加以关注。紧接着不到半年时间内，她又陆陆续续发现了多个这样的脉冲信号，同时研究这种脉冲信号的人也不断增多。随着天文学家们的深入研究，最终发现这种天体原来是一种中子星，并将其命名为脉冲星。

宇宙中的“航标”

这个仿佛玄幻一般可以加速时间流逝的天体，不仅旋转速度惊人，还凭借其能够不断发出短而稳定的脉冲信号，被人们称为“宇宙中的航标”。在未来的宇宙探索中，这些脉冲星可以被用作长期可靠的时间系统和太空“航标”，成为人类探索太空不可或缺的向导。

事实上，利用脉冲星导航并不是什么遥不可及的未来科技。

早在上世纪70年代，人类就已经开始尝试利用脉冲星进行导航了。那时，人类发射了著名的星际探测器——“旅行者1号和旅行者2号”。作为携带着人类文明信息的“宇宙使者”，在它们的名片上，刻有太阳系与附近14颗已知频率脉冲星的相对距离。如此一来，如果外星生命截获了这两个探测器，就能根据这些信息找到我们地球的位置。

还记得电影《流浪地球》中的场景吗？地球在巨大发动机的推动下朝着宇宙进发时，900余颗脉冲星就仿佛是900余个航标，为人类在浩瀚宇宙中的旅行提供导航。

脉冲星导航是深空导航的有效手段之一，其优点是导航精度不随深空飞行距离的增加而下降。通过观测和研究脉冲星，人们可以实现更精确的星际导航，进而探索太空的奥秘。

不妨设想一下，未来，人类或许可以利用脉冲星的信号来给导弹指路。当导弹装备了接收脉冲信号的导航系统，那其精度将会更上一层楼。

此外，脉冲星的研究涉及到许多学科的一系列重要理论问题，与现代物理学中的等离子体物理、广义相对论、基本粒子、核物理等学科领域密切相关——

由于脉冲星质量大、半径小，这使得脉冲星成为强引力场研究的天然实验室。在脉冲星系统中，我们可以完成已知的广义相对论测试，如光线在引力场中的弯曲、引力场中时钟变慢现象，并且大大提高其实验精度。

脉冲星具有超强磁场，这为科研人员研究粒子加速机制、高能辐射、射电辐射过程提供了一个理想场所，同时脉冲星强大的磁场运动又可以产生电场，这有助于物理学家了解等离子体的物理过程。

作为大质量恒星，脉冲星从坍缩到最终爆发的过程中，会产生极高的能量，这些能量会以高强度的电磁辐射形式散射到宇宙空间中。一部分脉冲星每自转一周，它的电磁波束就会扫过地球一次或两次，地球上的观测者们借助射电望远镜便可观测到有规律的电磁脉冲信号。这有助于人类研究探索脉冲星的形成机制。

在科学家眼中，无论是探索外太空还是开展各个领域的科学实验，脉冲星都将发挥重要的作用。

天文学研究的“富矿”

脉冲星有很多独特的特性，让天文学家们深深为之着迷。

——超高的密度。如果从脉冲星上取下1立方厘米的物质，称一下，它可能会重达1亿吨以上。超高的密度也带来了超强的引力，即便是在人们眼中硬度很高的钻石，都会在脉冲星表面被压碎成中子物质。

——超高的温度。脉冲星的表面温度可以达到1000万摄氏度，其星球中心温度还要比表面高数百倍。拿太阳类比或许更加具体，太阳表面的温度约为6000摄氏度，还不到脉冲星表面温度的1666分之一。

——超强的辐射。太阳一刻不停地向四周辐射能量，到达地球时，其能量还不到太阳能量的22亿分之一。而脉冲星的平均辐射能量为太阳的百万倍。这些脉冲星的辐射可不是闹着玩的，如果一颗新形成的脉冲星距离太阳系足够近，那么地球上的生命可能将不复存在。

基于此，人们或许不难理解，“中国天眼”为什么要乐此不疲地寻找更多的脉冲星了。

除了超高的密度、超高的温度、超强的辐射以外，脉冲星当中的毫秒脉冲星还有一个能够直接服务于人类社会的特性：超稳定的自转周期。

说到精确授时的重要性，人们常用“差之毫厘，谬以千里”来形容。如今，人类授时的发布形式，是通过火箭发射数颗近地卫星，建立全球卫星定位系统，进而形成覆盖全球的授时系统。该系统具有不受天气、地形等因素影响的优点。

不过，各国科研人员同时也在思考，远在太空中的卫星如果遭受了攻击，授时系统提供的时间有误差甚至不能工作了该怎么办？于是，建立一个不容易受到影响，并且不需要人为干涉的授时系统，便被各个国家的科研人员提上了日程。

脉冲星被称为永不断电的“钟表”，其中毫秒脉冲星的稳定性更可以与原子钟媲美。据悉，毫秒脉冲星的自转周期具有极好的稳定性，每过万亿年才会慢1秒。相比于原子钟需要精心保护，毫秒脉冲星不需要人为校准测量，仍然能保持准确。这表明，脉冲星在宇宙航行领域是潜在的可以替代原子钟的授时标准。

近年来，多个国家致力开发出高精度的全自动太空导航设备，使航天器能在长时间不与地球通信的情况下保持准确定位，并已经取得了一定的进展：2004年，欧空局发布了“基于脉冲星时间信息的航天器导航可行性研究”技术报告；2016年，我国利用天宫二号空间实验室搭载的某探测器，完成了脉冲星导航的首次试验；2018年，美国NASA研究团队宣布其成功演示验证了太空X射线脉冲星导航技术，利用搭载在国际空间站的中子星观测设备，对新型导航系统进行了初步测试，实现了精度5公里内的定位……有科研人员表示，未来将集中在大尺度时空基准的建立与维持、星载时钟的时间保持度等方面进行重点研究，兼顾时间精度、分辨能力、探测区域和系统质量等诸多方面。

尽管脉冲星从发现至今时间不算很长，但不论在推动天体演化的研究方面，还是研究物质在极端条件下的物理变化规律方面，脉冲星都为科学家们提供了丰富宝贵的观测材料，是全球天文研究领域潜力巨大的“富矿”。

上图：4月17日，“中国天眼”500米口径球面射电望远镜（FAST）发现的新脉冲星数量突破900颗。新华社图片