宇宙灯塔
——脉冲星的前世今生

文/冯涛煜

在浩瀚的宇宙中存在着众多天体,而每一个天体都能发射属于它们自己的信号。而我们的地球其实就在连续不断地向外界发出微弱的无线电信号,可以设想一下,如果恰好有一群外星人处在地球磁场的扫射范围内,同时他们又有非常强大的监测设备,那就有可能周期性地收到地球发出的微弱的无线电信号。这样一来,他们通过研究就能了解我们这颗星球的特征,甚至利用我们的星球帮助自己闯荡宇宙。这听起来是不是很像科幻小说,但其实对于人类来说,这早已不是想象,我们建在地面的各大射电望远镜以及太空中的太空望远镜都是用来监测捕捉地外天体发射的信号的。而这些信号,对人类来说到底意味着什么呢?下面我们就从人类发现的脉冲信号说起吧!

脉冲星的发现——外星人来信？

1967年7月,英国剑桥大学穆拉德射电天文台建起了新型射电望远镜,目的是观测太阳系行星际空间的闪烁现象(光或电磁波的闪烁,如超新星爆发等)和搜寻可能存在的类星体。一位年仅24岁的剑桥大学女博士乔瑟琳·贝尔·伯奈尔负责监测记录工作。她在炎炎夏日里认真处理着复杂而枯燥的数据。一天夜里,她发现在记录脉冲信号那长长的纸带上出现了类似“颈背”的凸起图案,这个图案的出现频率和大小十分规律,让她不禁产生了疑问。随后,她将此事上报给了她的导师休伊什。

脉冲信号是什

脉冲信号本质上就是电磁波,电磁波包括无线电波、微波、红外线、紫外线、χ射线、γ射线。而射电望远镜接收到的脉冲信号主要就是无线电波和微波,接收的原理就和收音机接收无线电波是一样的道理。你可以把射电望远镜想象成一台巨大的收音机。

贝尔和休伊什发现这个脉冲信号来自狐狸座方向,会随着天球东升西落的视运动而移动。这到底是什么脉冲信号呢?为什么信号周期如此稳定但又这么短?会不会是外星人在向我们打招呼?他们猜测这可能是来自外星文明的信号,即使不是,它也肯定不是一般的宇宙电波,于是他们决定对这个信号进行快速跟踪记录。终于在1967年11月28日,他们获得了清晰的连续脉冲图,确定了这是一个周期为1.337 3秒的相当稳定的脉冲信号,并且将其戏称为“小绿人一号”(LGM-1)。小绿人(Little Green Men)出自当时风靡英国的描写地外文明起源的科幻小说。书中猜测如果有外星人的话,它们一定身材矮小,自身可以进行光合作用,所以皮肤可能是绿色的。就这样,人们想象中的“小绿人”诞生了。不过,戏称归戏称,随后这个信号被正式命名为CP 1919。

◎左图是脉冲星在1967年8月被发现时的记录纸带,右图是在11月时高速记录仪接收到的周期性脉冲信号

脉冲信号周期和周期变化率是什么?

周期是从一个信号的开始到下一个信号的开始的时间,也是脉冲星自转一周的时间,所以也叫旋转周期。周期变化率是周期快慢的变化。

获得连续脉冲信号图并确定了脉冲信号的周期后,他们的下一个任务就是认证这个信号的来源。贝尔和休伊什在做了一系列排除性实验后,断定该信号的来源一定不是在地球上或地球临近空间内,而是在太阳系之外,银河系之内。脉冲信号本身的宽度(信号图中尖峰底端的距离)约为20毫秒,这说明信号发射源的尺寸没有地球大。而且在接收的信号中没有发现任何可辨认的编码,也没有出现多普勒效应,所以这个信号不太可能来自某颗恒星的行星。最后,他们认定,CP 1919不是外星人发来的消息,而是来自一个遥远而神秘的天体——脉冲星(Pulsar)。或许我们每个人都更希望这个信号真的来自外星人,但科学就是科学,必须用证据说话,而不能被人的主观意愿所左右。

多普勒效

多普勒效应是指接收到的波的信号频率会随着信号源的移动而变化。比如,一个正在鸣笛的火车离我们越来越近的时候,我们听到鸣笛声的声调就会越来越高。

著名的学术期刊《自然》于1968年2月24日发表了贝尔和休伊什的论文,刊登了最早发现的这颗脉冲星的观测结果,并指出这颗脉冲星可能就是符合30多年前荷兰裔天文学家茨维基、苏联物理学家朗道等人提出的中子星理论模型的极端天体。文章的发表掀起了轩然大波,当时正处于射电天文学方兴未艾的年代,天文学家纷纷通过电磁波窗口向宇宙深处望,开启了搜寻、认证脉冲星的竞赛,到目前为止已经有2 700多颗脉冲星被发现,这些发现极大地促进了射电天文学的发展,脉冲星的发现也被列入19世纪60年代四大天文发现——另外三个分别是:类星体、星际有机分子和微波背景辐射。休伊什教授也因此荣获1974年诺贝尔物理学奖。由于性别与地位等原因,贝尔与诺贝尔奖失之交臂,但她仍然是世人公认的“脉冲星科学之母”,她后来担任了英国皇家天文学会会长、牛津大学客座教授等职务,还被伊丽莎白女王授予“大英帝国女爵士称号”。2018年9月6日,科学突破奖基础物理学奖评选委员会宣布,将基础物理学奖特别奖授予天体物理学家乔瑟琳·贝尔·伯奈尔。得知获奖的消息后,贝尔十分激动,并决定将300万美元的奖金捐给英国物理学会,为那些被忽视的年轻学者提供支持。

脉冲星的发现除了在科学界引起震动,还意外地闯入了流行音乐领域。1979年,后朋克乐队“快乐分裂”(Joy Division)使用CP 1919的脉冲轮廓作为首张唱片《任逍遥》(Unknown Pleasures)的封面图,从此,CP 1919成了流行音乐乃至流行文化的经典符号。

◎《任逍遥》唱片封面

脉冲星——魔鬼天体？

我们已经认识了脉冲信号那如颈背一般凸起的轮廓,那么发射这种信号的脉冲星究竟是一个什么样的天体呢?

脉冲星,又称波霎,它其实是恒星死亡后留下的致密遗骸。讲到这里,我们先要说说恒星的演化。天上繁星万点,明灭可见的几乎都是恒星,它们的演化对周围的天体物理环境会产生至关重要的影响。恒星的一生可以用燃烧、爆炸、膨胀和坍缩四个词来概括,不过每个阶段爆发的剧烈程度与恒星本身的质量相关。比如我们最熟悉的恒星——太阳,它已经燃烧了近48亿年,再过50亿年后它就会爆炸膨胀为红巨星,最后会在自身引力的作用下坍缩成一颗光线暗淡、密度很大的白矮星。一些高于1.44倍太阳质量(此质量极限被称为钱德拉赛卡极限)的恒星的归宿就与太阳大为不同了,它们会继续坍缩成中子星,由中子简并压力(中子粒子之间相互作用产生的压力)对抗引力。再高质量(奥本海默极限)的恒星则会坍缩成宇宙间大名鼎鼎的终极天体——黑洞。

◎脉冲星概念

在现今的理论框架下,科学家认为脉冲星极有可能就是一种特殊的中子星。再通俗点说:有一些恒星死后,会爆炸变成超新星;超新星爆炸以后剩下的残骸,有一部分就是中子星(也有可能是白矮星或者黑洞);如果这个中子星碰巧有磁场,并且还会高速旋转,那么就会形成脉冲星。

◎超新星爆

脉冲星有几个特点:一是它的密度极高,它虽然只有一个城市的大小(几千米至几十千米),但它的重量可比太阳还要重;二是它的引力场强度极大,地球表面的重力加速度为9.8m/s2,这个值被称作1g,在实验室中高速离心机能够产生的地面最强的加速度也仅为4 000 000g,而中子星表面的重力加速度可以达到1012g。如果把一个糖块大小的物体放到中子星上,那么这个物体在中子星上的重量要比万艘巨轮还要重;三是它转得极快,几秒就能自转一周,一些转得快的甚至一秒可以自转几百圈;四是它的磁场极强,强度可达万亿高斯,是地球的万亿倍。除了以上这四个主要特点外,它还有温度极高、压力极大、辐射极强等特点。

了解了脉冲星的特点后,请同学们想想,脉冲星上的环境怎么样?是不是可以用“极端恶劣”来形容了?跟我们的地球相比,脉冲星可以说是一颗魔鬼天体!不过,对于天文学家来说,脉冲星可是一个天然绝佳的核物理实验室,它可以为科学家提供丰富的观测材料。

脉冲星长什么样？

从图像上来分析,脉冲星的脉冲信号非常有规律,人们很自然地就把脉冲信号的形成与星体转动联系在一起。而其实我们接收到的脉冲信号仅仅占脉冲星整个脉冲周期的10%左右,这说明脉冲信号扫过的面积很小,所以它的辐射应当是集中在一个面积很小的方向上。目前科学家勾勒出的脉冲星的样貌大概就像右图中那样。脉冲星和地球一样,磁轴与自转轴有一定的夹角,从两个磁极流出带电粒子,然后形成了很细的辐射束跟随脉冲星一起转动,当辐射束扫过观测设备时,我们就能接收到脉冲信号。人们很形象地将它比喻为“宇宙灯塔”。

◎脉冲星结构示意

脉冲星的分类

脉冲星的分类和它的周期有关,但并不只是单单依据周期的长短划分,而还要看周期变化率。

提到周期变化率,你可能会想到前面我们讲了脉冲星发射的信号十分稳定。但在这里我还要告诉大家,我们观测到的脉冲星信号,虽然在短时间内周期几乎看不出变化,但如果分析长时间的观测数据就会发现,它们的周期是会变化的。而周期变化的快慢,即周期变化率,就是脉冲星一个重要的观测量。

◎磁星概念

我们观测到的大多数脉冲星统称为正常脉冲星。它们的周期大概在0.5秒左右,周期变化率是每隔1秒缩短约10-15秒。有些脉冲星的磁场比较强大,我们称它们为“磁星”。磁星的周期比正常脉冲星要长一些,周期更不稳定(周期变化率更大)。还有一种脉冲星叫作毫秒脉冲星,这些脉冲星的周期大部分在10毫秒以下,同时它们的周期变化率比正常脉冲星小了约10万倍。

毫秒脉冲星比较幸运,它们原本是周期较长的脉冲星,但因为旁边伴有另一颗星体,通过吸收对方的物质,它们就可以“延缓甚至抵抗衰老”。在吸收物质增加自转动能的过程中,这些脉冲星的自转速度会越来越快,脉冲信号的周期会越来越短,而周期变化率也会随之变小,即周期更加稳定,就这样靠着其他星体的能量,这些“幸运”脉冲星最终成为一颗毫秒脉冲星。一言以蔽之,毫秒脉冲星就是一类依靠吸积伴星物质加速成为周期又短(达到毫秒量级)又稳定的脉冲星。

你可能会问,这样的脉冲星是不是能长生不老?答案是:当然不能。因为毕竟宇宙间的万事万物还都遵循着能量守恒定律,不可能凭空维持永恒的能量。所以,对于脉冲星来说,随着时间的流逝,它的自转速度会越来越慢,辐射也会越来越弱。这时,我们收到的脉冲信号周期就会越来越长,强度越来越弱。虽然,目前在短时间内我们看不出脉冲星的这种周期变化,但是时间久了,任谁也逃不过生命的终结。

著名的蟹状星云就是一个超新星爆炸的遗迹,星云中间还有一颗著名的脉冲星——蟹状星云脉冲星。这颗脉冲星大约在北宋时期(1054年)形成,在其形成之初,亮度非常亮,“昼见如太白”,古人将其记录为“天关客星”。但是随着时间流逝,今天我们用肉眼已经无法看见这颗星,科学家探测到它现在的旋转速度是每秒30次左右,与几千年前相比,它的旋转速度慢了很多,周期也变长了。或许再过100万年,这颗脉冲星就将彻底消失于宇宙中。

◎蟹状星

为什么要搜寻脉冲星？

自从脉冲星进入人们的视野,越来越多的国家加入了搜寻脉冲星的队伍。这也促使很多“观天巨眼”诞生,如澳大利亚莫朗格洛射电望远镜、美国的阿雷西博射电望远镜、美国绿岸天文台的91米望远镜、英国乔德雷尔·班克天文台的76米望远镜、澳大利亚帕克斯天文台的64米望远镜以及我国新建造的500米口径球面射电望远镜(FAST)。看到世界各地这些“巨眼”,大家或许会产生疑问:我们人类为什么要费这么大力气搜寻脉冲星呢?

◎阿雷西博射电望远

对于核天体物理学家来说,脉冲星具有在地面实验室无法实现的极端物理环境,是理想的天体物理实验室,是验证各种核物理理论的绝佳场所。很多现今还无法解答的重大物理学问题,说不定在脉冲星这个“天然物理实验室”中都能找到答案!

在本刊2018年第4期《时空的涟漪——引力波》中,我们提到过一种叫作脉冲星计时阵列的引力波探测方法。当引力波扫过地球周围时,它会影响多颗脉冲星传播到地球的脉冲信号。这时候,我们对邻近的几颗脉冲星的周期保持长期的监测,就有可能通过其整体的周期变化规律,探测到引力波的存在。与LIGO相比,这种方法可以专注于极低频的引力波信号,它能探测的引力波频率比LIGO敏感的频率范围还要低10到12个数量级。

◎脉冲星计时阵列示意

在地球上,我们的祖先曾利用天上的星星指引方向和时令,比如利用北斗七星、北极星来辨识方向,这是因为在黑暗的夜晚,星星不会随意改变自己的位置。与古人靠星星指引方向一样,科学家发现当我们离开地球驾驶宇宙飞船航行时,也可以利用脉冲星在宇宙中导航。一方面,脉冲星具有非常明显的特征,很容易被认出来;另一方面,脉冲星的转动非常稳定,特别是毫秒脉冲星的稳定性比GPS技术使用的原子钟还要高,可以作为高精密时钟。大家设想一下,当飞船行驶在太空中,有5颗脉冲星围绕着你,你会接收到它们的脉冲信号,而当你移动的时候,如果有一颗脉冲星的信号接收到的时间越来越提前,那就说明你离它越来越近了,反之则是越来越远,此时再综合其他四个脉冲信号,我们就可以得到在银河系的三维坐标啦,根据这个坐标我们漫游银河系时就不会迷路了!当人类在宇宙星河中航行时,脉冲星就成了名副其实的“宇宙灯塔”。通过对脉冲星旋转周期的监测,航天器可以随时掌握自身的运动速度,进而推算出自己在宇宙中的航行坐标。这就是所谓的“脉冲星导航”。

◎脉冲星导航示意

原 子

人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟,它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子(氢、铯、铷等)吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。原子钟的精度可以达到每2 000万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。