2017年03月20日今晚报《日知录》脉冲星发现50年

张承民

王学政刻

　　1967年夏，剑桥大学射电天文台正在进行星空无线电信号流量变化研究，即射电闪烁，负责执行望远镜观测和数据分析的科研人员是一位来自爱尔兰的女博士研究生，名字叫乔瑟琳·贝尔。她偶然察觉到一个奇怪且周期极其规则的“干扰”信号，每隔1.33秒的精准时间的脉冲信号。这令她十分诧异，难道宇宙的“心电图”存在“人为故意”的钟表准时效应？

　　得知这一令人难以置信的观测分析，她的导师休伊什猜想这可能是外星人“小绿人”发出摩斯电码，在向地球呼叫。然而， 进一步查找观测数据表明，这个脉冲信号的频率极其精确；接下来，贝尔和同事又发现不同天区的另外三个周期各异的脉冲信号源；所以这排除了外星人信号，因为不可能有三个“小绿人”在不同方向同时向地球发射不同的脉冲信号。经过射电望远镜的色散测量，贝尔得出脉冲星距离地球大约是几万光年的结论，这意味着脉冲信号源于银河系起源的天体。经过一番努力，贝尔和休伊什在英国《自然》杂志上发表了脉冲星发现的论文，并认为脉冲星就是物理学家预言的超级致密中子星。消息很快轰动了世界科学界。这堪称是20世纪的一个重大发现，为天文学和天体物理研究开辟了新的领域，而且对现代物理学的验证产生了深远影响，被誉为20世纪天文学的四大发现之一 ——另三个发现是：星际分子、类星体、宇宙微波背景辐射。

　　脉冲星的发现为什么那么重要？因为它是宇宙的灯塔和空间天然实验室。50年来，天文学家已经观测到2700多颗各种类型的脉冲星，它们是转动的中子星，而最快转动的周期居然达到毫秒量级（1.4毫秒）。现在已知，中子星是大质量恒星的演化产物——相当于十几个太阳的恒星在其核能燃烧耗尽以后，将经历超新星爆发，其间星体核心部分塌缩成高度致密中子星，其质量大约一个太阳，而半径只有约10千米。形象地说：中子星相当于太阳系的全部质量压缩到北京市区的范围。其密度极高，一个乒乓球大小的中子星物质相当于喜马拉雅山的质量！其磁场也是超高，达到万亿高斯，即地磁场的万亿倍。所以，脉冲星可以作为天然的实验室，用来检验极端物理环境下的物质运动规律，诸如验证强引力场的爱因斯坦广义相对论效应，包括引力波现象。中子星的高度致密物质物态还是检验核物理理论的极佳场所。其强磁场导致的电磁辐射现象也是等离子体物理的研究领域。

　　脉冲星为什么发射脉冲信号？研究发现，电磁辐射来自于其强磁场的极冠区，当中子星转动时，磁极冠发出的电磁信号像海岸上的灯塔一样，扫过星空。每当脉冲星辐射扫过地球，地面的射电望远镜就收到一个信号。而且，脉冲星的转动是高度稳定的，其周期变慢一秒大约需要千万年时间，这与实验室制备的氢原子钟一样稳定，堪称宇宙最精准的钟或“宇宙灯塔”。基于这一性质，脉冲星可以作为导航时间信标参考。不久前我国发射的脉冲星导航试验卫星XPNAV-1就是应用案例。

　　50年来的观测表明，脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等多个电磁波频段产生辐射，为此天文学家在地面和太空设置了大量的探测设备，用于监测和研究其运动和演化性质，例如在我国贵州已经落成的500米口径射电望远镜（FAST）。