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来自星星的声音 | “天眼”捕捉的原来是“她”

大学作者：合肥工业大学 2021-10-15 15:50:54

“星汉灿烂，若出其里”

千百年来，人类从未停止

对遥远天际的仰望与探索

72年科技创新，举世瞩目

从“天眼”到“天问”

从“羲和号”到神州十三号载人飞船

不断刷新着中国探索宇宙的高度

被誉为“中国天眼”的FAST射电望远镜，一经亮相，便惊艳世界。这口镶嵌在崇山峻岭间的“大锅”，可以精密捕捉来自遥远星球的声音。那究竟是什么神秘的信号？

中国天眼

“中国天眼”简称FAST，是目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜，能够接收到100多亿光年以外的电磁信号。它由我国已故著名天文学家南仁东于1994年提出构想，历时22年建成，并于2016年9月25日落成启用进入调试期。2020年1月11日，FAST通过国家验收，正式开放运行。

实际上，除了中国天眼外，世界上原本还有一个天眼，那就是2020年12月坍塌的美国阿雷西博射电望远镜。阿雷西博曾发现了太阳系以外的第一颗行星，1974年还发现了第一颗双星脉冲星，证实了爱因斯坦的广义相对论。

作为全球唯一天眼，FAST截止目前已发现脉冲星300余颗，而人类总共也只发现了3000多颗脉冲星。

美国阿雷西博射电望远镜坍塌瞬间画面（图源：观察者网）

什么是脉冲星？发现脉冲星对人类探索宇宙有何意义？

一、神秘的脉冲星

脉冲星

脉冲星是快速自转的中子星，是一种极端致密的天体。中子星源于8-25倍太阳质量的恒星，因内部核原料大部分耗尽而坍缩，在坍缩过程中原子中的电子被压缩到原子核，同质子中和形成中子，使得原子核只由中子组成。因此，中子星是由众多原子核紧挨在一起所组成的，半径十公里的中子星质量大约是一个太阳的质量。当这种中子星发生旋转时，会不断发出电磁脉冲信号，故得名“脉冲星”。

中子星（图源：新浪网）

脉冲星的特点

第一、具有非常强的磁场

正如地球有磁场一样，中子星也存在着极大的磁场。强磁场将辐射光加以封闭，使得中子星辐射只能沿着磁轴的方向从两个磁极区域射出，这两个磁极区称为“中子星的窗口”。

脉冲星具有两个辐射窗口（图源：狂想曲）

第二、高速自转

正如地球在不停地自转，中子星也在自转着。由于磁场方向与自转轴方向不在一条直线上，中子星每自转一周，所辐射的光束就会扫过地球一次，于是我们就能接收到有规则的脉冲信号。

中子星具有自转功能（图源：网易）

第三、具有短而稳定的脉冲周期

天文学家经过研究得知，脉冲的形成是由于脉冲星的高速自转。原理就像我们乘坐轮船在海里航行时看到灯塔一样。灯塔里的灯总是亮着，而且在不停地旋转；灯塔每转一周，从它的窗口射出来的灯光才能射到船上一次。如此一来，我们看到的灯塔里的灯光就是一明一灭的。脉冲星也是一样，每当它自转一周，我们就能接收到一次它所辐射的电磁波，由此形成了一断一续的脉冲。脉冲的这种改变，我们称之为“灯塔效应”。

脉冲星的灯塔模型（图源：钱学森实验室）

二、脉冲星的发现

20世纪60年代中期，当时科学家已经发现了“行星际闪烁”的天文现象，英国剑桥大学休伊什教授认为这种闪烁技术将是一种非常有效的识别类星体的方法，于是，他指导博士生乔瑟林·贝尔以及其他四个学生建造了一台大型射电望远镜。望远镜建成后，贝尔在休伊什教授的指导下，负责望远镜的运行和数据分析。

脉冲星的发现者乔瑟林·贝尔（图源：天文在线）

1967年夏的某一天，贝尔在一张纷乱的记录纸带上发现了一个奇怪的“干扰信号”——间隔时间相等（1.33秒）的脉冲信号。休伊什教授亲自到天文台观测，也发现了这一脉冲信号。一开始，人们猜测此信号有可能来自外星人发出的信号，但仔细检查纸带后发现，记录下来的脉冲信号周期总是1.33秒，精确得令人难以置信，接着贝尔又找到了另外2个类似的脉冲源，由此人们断定这一定不是外星人所为，因为不可能有外星人在同一时间不同方向向地球发射信号。后来经过反复研究，他们得出这样一个结论：它是一颗脉冲星，即一颗转动的中子星！

师徒俩将发现脉冲星这一天文事件在英国《自然》杂志上进行了联名报道，并认为脉冲星就是物理学家预言的中子星。因这一发现，伊休什教授获得了1974年诺贝尔物理学奖，这也是天文观测史第一次获得如此崇高的荣誉。

脉冲星的发现，是20世纪60年代天文学观测极为重要的四大发现之一（另三个分别是星际分子、类星体和微波背景射），也是20世纪的一个重大发现。它为天文学的研究开辟了新领域，对现代物理学的发展产生了深远影响。

发现脉冲星有什么现实意义？

1.验证广义相对论 在理论上，由于脉冲星质量大、半径小，使得其表面的引力场非常强，这样脉冲星就成为验证爱因斯坦广义相对论的一个绝好场所。

2.探测引力波 当引力波通过地球和脉冲星之间时，脉冲星发出的射电波所经过的路径将会被周期性地压缩和拉长，从而导致接收的脉冲信号出现周期性地延迟或早到。如果对脉冲到达时间进行长期观测，就有可能接收到引力波的信号。另外，为了避免引力波被噪声淹没，科学家们还提出一种改进方案——脉冲星计时阵，即同时监测多个脉冲星的方法。

脉冲星计时阵（图源：光明网）

3.时间标准和宇宙导航 目前我们已经实现了在地球上的定位导航，但是在茫茫宇宙中想要定位则非易事。由于脉冲星自转周期的高度稳定性，堪比甚至优于地球上的原子钟，因此航天器可以通过观测脉冲星实现自主导航，即脉冲星导航。脉冲星也被称为“宇宙灯塔”，或星际旅行中的“天然的GPS卫星”。

脉冲星用于自主导航（图源：《海上畅谈》工作室）

随着中国天眼观测手段的进一步发展，以及FAST射电望远镜灵敏度的不断提高，探测其他星系短时间内产生巨脉冲信号的脉冲星也成为可能。可以预知，在FAST时代脉冲星观测将突破原有的样本数目，各种新型的脉冲星天体将不期而至。

现英国皇家学会院士、著名天文学家乔瑟林·贝尔曾经说过：FAST非常非常擅长观测脉冲星，它会发现很多微弱、遥远的脉冲星，甚至其他星系的脉冲星，希望FAST可以发现围绕黑洞旋转的脉冲星。如果FAST无法观测到这样的脉冲星，就没有其他望远镜可以做到了。可以说，FAST将是寻找脉冲星的出色“猎手”！

三、脉冲星与中国宋代“客星”

清华大学陈寅恪教授曾说：华夏民族之文化，历数千载之演进，造极于赵宋之世，后渐衰微，终必复振。英国著名科技史专家李约瑟也曾说过：每当人们在中国的文献中查考任何一种具体的科技史料时，往往会发现它的焦点就在宋代。中国闻名于世的四大发明，其中有三项（指南针，印刷术和火药）主要是在宋代得到了应用，宋代更是启蒙世界文明的伟大时代！

宋代关于脉冲星的记载。宋仁宗至和元年五月二十六日，天空中突然降临了一位“天外来客”——“客星”（“客星”是中国古代钦天监对彗星、新星或者超新星的统称，意即此类天体像客人一样偶然出现在天空的星辰间，这个客星就是后来天文学家所定义的蟹状星云超新星）。此来客位于北半球金牛座的天关星附近，发出异常明亮的光。尽管印度、阿拉伯、日本和朝鲜的天文学家都曾记录了这次天文现象，但唯有中国留给了后世一个完整而准确的天文学记录。

嘉佑元年三月，司天监言：客星没，客去之兆也。初，至和元年五月，晨出东方，守天关。昼如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。

——古书《宋会要》如此记载此次天象

书中描述了此“天外来客”有着尖尖的光辉，并带有微红白的颜色，白天可见到的时间有23天，夜晚可见的时间则持续了1年又10个月。1054年宋朝“客星”所留下来的蟹状脉冲星是我们目前唯一知道其真实年龄的脉冲星。