FAST工程副总工程师李菂介绍新脉冲星发现过程。
FAST在繁星下呈现出的美丽景观。
本报记者 任志方 整理
脉冲星刚被发现时差点被当成外星信号
脉冲星的发现还要从50年前说起。
1967年,英国剑桥建造了一种新型的射电望远镜,其作用是观测射电辐射受行星际物质的影响。1967年7月,仪器投入使用,接受波长3.7米,由英国天文学家休伊什的女博士研究生乔斯林·贝尔担任观测和记录处理的工作。
贝尔夜以继日地工作,在大量并纷乱的记录纸带上仔细摸索射电闪烁信号的特征,这是太阳系带电介质干扰星空无线电传播的结果,其流量呈现出秒量级的准周期变化。此现象可以类比于“天上的星星在眨眼”,这源于地球大气层扰动引发的光学波段的闪烁。
然而,贝尔偶然察觉到一个奇怪而且周期极其规则的“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?
在报告给导师休伊什后,休伊什认为这是受到地球某种电波的影响,但是,第二天,同一时间同一天区,神秘的脉冲信号再次出现,这就足以证明奇怪的信号并非来自地球,而是来自天外。
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3个周期各异的脉冲信号源。这排除了外星人信号,因为不可能有三个外星人在不同方向同时向地球发射不同的脉冲信号。
再经过射电望远镜的色散测量,贝尔给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的中子星。
消息很快轰动了世界科学界,这是不曾奢望而极其意外的发现,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。1974年,这项新发现获得了诺贝尔物理奖,奖项颁给了休伊什。
自转速度比木星还快10万倍
那么,什么是脉冲星?
脉冲星的典型半径仅有10公里,其质量却在1.44倍至3.2倍太阳质量之间,是除黑洞外密度最大的天体。每立方厘米的脉冲星质量达到1亿吨,要用1000艘百万吨级的巨轮才能拖动。
脉冲星就是正在快速自转的中子星。这样的中子星由于快速自转而发出射电脉冲,所以有脉冲星之名。脉冲的周期其实就是脉冲星的自转周期。
当星体自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时,探测设备就能够接收到一个脉冲信号。原理就像我们乘坐轮船在海里航行,看到灯塔一样。设想一座灯塔内的灯总是亮着且不断旋转,每转一圈,灯光射到船上一次。在我们看来,灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样,当它每自转一周,我们就接收到一次它辐射的电磁波,于是就形成一断一续的脉冲。
地球每24小时自转一次,而大多数脉冲星每秒钟就能自转一次或多次,有些脉冲星的旋转速度甚至最高可达每秒100转。它们的自转速度比太阳系中转速最快的木星还快10万倍。
脉冲星的这种极高的旋转速度在它们最初形成时就产生了,因为脉冲星最初来源于一个较大的、旋转较慢的恒星,恒星崩溃后才形成一个微小的中子星,为了使角动量守衡,中子星的旋转速度就必须急剧增加。
50年来已有1000多颗脉冲星被发现
银河系中有大量脉冲星,但由于其信号暗弱,易被人造电磁干扰淹没,目前只观测到一小部分。
从第一颗脉冲星“小绿人”被发现直到现在,世界各地天文台已陆续有1000多颗脉冲星被发现并被编入目录。据估计,在银河系中,可能有多达100万颗脉冲星。所有新发现的脉冲星的发射周期都以同样的方式运行,每隔一特定周期就发射短噪声脉冲,每颗脉冲星的发射周期都保持不变。
位于贵州省喀斯特洼坑中的FAST望远镜与美国阿雷西博望远镜,是世界上仅有的两个利用喀斯特地貌中的天然盆地修建的超大口径射电望远镜。在FAST落成前,阿雷西博望远镜已经独霸世界最大口径射电望远镜宝座50多年,利用其拔群的灵敏度做出了很多重大天文学发现。
具有极高灵敏度的FAST望远镜在调试初期就发现了脉冲星,FAST反射面的口径很大,所以它的灵敏度很高。FAST最基本的工作原理是,利用抛物面,把来自宇宙深处的星际光,聚焦成一个点。口径越大,收光能力越强,也就是增益越大,放大倍数越大。
广义地说,FAST像是一个收音机,用巨大的天线,来收听来自宇宙深处的声音。很多反射单元构成了相当于30个足球场大小的抛物面,就是FAST的天线。未来,FAST将有希望发现更多守时精准的毫秒脉冲星,对脉冲星计时阵探测引力波做出原创贡献。
驶向太阳系之外可以用脉冲星导航
脉冲星的本质是中子星,中子星的密度非常大,相当于1立方厘米的体积上负载了1亿吨的质量。想象一下,把一头重达5吨的非洲大象或是几十万吨的“鸟巢”,压缩到中子星的密度,也就和一个图钉一般大。这就使得脉冲星具有在地面实验室无法实现的极端物理性质,是理想的天体物理实验室。
现在,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)已经直接探测到引力波的存在,并为三位相关科学家赢得了2017年的诺贝尔物理学奖。但脉冲星观测仍然有机会再次在引力波探测领域一展身手:当引力波扫过地球周围,它将在较大尺度上同时影响多颗脉冲星传播到地球的信号。如果我们对临近脉冲星的周期保持长期监测,就有望通过其周期的整体变化规律,探测到扫过银河系的引力波的存在。未来,FAST将对脉冲星计时阵探测引力波做出原创贡献。
除了密度大,脉冲星的自转周期极其稳定,它是以相对论的速度转动,从而可以提供接近原子钟精度的时钟信号。
如果我们能完全掌握脉冲星周期的变化规律,脉冲星在未来几百年还将有一个重要的应用场景:当人类的星舰驶向太阳系之外,脉冲星就成了茫茫星海中名副其实的灯塔。通过对脉冲星周期的监测,星舰可以随时掌握自身的运动速度,进而推算在宇宙中航行的坐标。这就是所谓“脉冲星导航”。
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