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中國“天眼”是世界上最強大的脈衝星搜尋利器。截至2022年1月，已發現約500顆脈衝星。（圖片由國家天文&提供）
20世紀60年代，當第一顆脈衝星CP1919被發現的時候，很多人懷疑那是外星人發來的信號——因為它太過規律，每隔1.337秒都能收到它發出的信號。如今，我們已經知道，脈衝星是自轉並具有準直的輻射束的中子星。因其許多不可思議的性質，有很多潛在的應用，比如用於星際旅行的導航。現在，科學家們對脈衝星的研究仍在不斷深入。
脈衝星是如何被發現的？
晴朗夜空，我們一抬頭就能看到許多明亮的星星。如果認真地盯着某一顆星星看，由於地球大氣湍流的折射，它會忽明忽暗，這就是我們兒歌裏唱的“一閃一閃亮晶晶”。假如我們坐飛船到太空去看星星，一般來説，星星是不會“眨眼睛”的。
但宇宙總是給我們太多驚喜，太空中還真有一類特殊的“眨眼睛”的星星——脈衝星。
脈衝星被稱為20世紀60年代四大發現之一。世界上第一顆被發現的脈衝星叫作CP1919，是由天文學家貝爾和她的老師休伊什共同發現的。在此之前，誰也沒有見過脈衝星的信號長什麼樣子，以至於起初貝爾將脈衝星信號當作了人造的干擾。之後，他們重復、多次收到了這樣的信號，在扣除地球自身的運動後，發現這個怪異的信號竟然具有1.337秒的周期。於是，貝爾和休伊什將這次發現發表在國際期刊上，頓時引起了強烈反響。
當時科學家們想出了三種模型來解釋它：第一是密近雙星的解釋，兩顆恒星相互繞轉，當發光的一顆被遮擋時，就看不到輻射，當沒有被遮擋時，就有了輻射。第二是恒星的膨脹與收縮，這也會造成我們看到的亮度變化，如果這樣的過程比較穩定，那麼就呈現了我們看到的周期性變化行為。第三種就是中子星模型，這個模型描述了會自轉且具有準直輻射束的一類星體，如果自轉穩定且輻射束剛好能掃過我們，就好像一座海上燈塔。
那麼哪一個模型更好呢？隨着觀測的推進，人們發現了越來越多這樣的周期性信號，其中有一些甚至能達到毫秒級的周期，第一和第二種模型已經不能解釋這樣小的周期了，只有中子星模型才能解釋。在金牛座中就有一個這樣的星星，它一秒中能“眨眼”33次，前人稱之為蟹狀星雲脈衝星。從觀測的角度來説，像這樣具有穩定眨眼頻率的星星，就可能是脈衝星。而對它的證認，還需要科學家做進一步的觀測和分析。
更有趣的是，畢竟當初誰也沒有看到過這樣的脈衝信號，人們就以為可能是外星人發出的。但是在對數據進行仔細地分析後，並沒有發現這樣的多普勒效應，於是就否定了這個説法。當然，現在看來，由於脈衝星距離我們十分遙遠，一個文明發出的信號在經過了這麼遠的路程後還能被探測到，這是不可思議的。
脈衝星有哪些神奇的特性？
在天文學家眼裏，宇宙間小至地球這樣的行星，大至銀河系，乃至整個宇宙這樣的大尺度結構，都有着鮮活的“生命”——它們都有“生老病死”。主流觀點認為，當一顆超過8倍太陽質量的恒星演化到末期後，其物質會向中心坍縮，然後發生猛烈的爆炸（超新星爆炸），強大的衝擊波使得物質向外彌散，並與星際介質相互作用，形成一個漂亮的“禮花”，這個過程被稱為超新星爆炸，這個巨大的“禮花”就是超新星遺跡。在這“禮花”的中心，有機會誕生一顆中子星。當這顆中子星自轉起來，並具有準直的輻射束時，就成為一顆脈衝星。
但遺憾的是，我們在地球上無法肉眼看到脈衝星。主要有兩點原因：第一，它們在天上太弱，科學家需要借助大的望遠鏡才能看到它們；第二，大部分脈衝星在光學的波段並沒有輻射，它們在射電波段看起來會比較強。當然，有一些特殊的脈衝星在全波段都能看到，比如年輕的蟹狀星雲脈衝星，但你至少要有一個大望遠鏡才行。
脈衝星有很多獨特的特性，讓天文學家們深深為之着迷。
特性一：超高的密度。大家都知道，構成世間萬物的最小單位是原子，而偏偏中子星生得奇怪——主流的説法是，構成它的全是比原子更小的物質，中子。這麼看來，中子星本身就是塊巨大的原子核！那這樣一顆星星密度有多大呢？1014g/cm3！設想一下，我們的指甲蓋差不多是1cm寬，一個小指頭大約就是1立方厘米，如果這裡面填充的是中子星密度的物質，那麼將承載1億噸的重量。實際上，由於探測手段的局限性，人們並未真實探測到脈衝星星體的物質組成和狀態。通常的做法是搜尋突破極限轉速（比如1毫秒的周期）的脈衝星，如果找到了這樣的亞毫秒脈衝星，説明脈衝星可能是比中子星密度更高的夸克星。同時，人們還在積極搜尋、追蹤脈衝星雙星系統，這樣的系統可以給出脈衝星的質量，而發現的質量越高，也越有可能證明脈衝星由夸克組成。隨着引力波探測技術的逐步成熟，人們越來越有可能探測到兩個正在相互繞轉並融合在一起的中子星。通過計算機模擬、匹配信號，可以探測清楚中子星的內部物理狀態。
那我們能在中子星上面生活嗎？答案是不能。正是因為中子星超高的密度，其表面具有很強的引力，會把人給碾碎。實際上，不管是人類還是其他堅硬的物體，比如鑽石，都會在脈衝星表面被壓碎成中子物質。
特性二：高速旋轉的“陀螺”。中子星會像汽車發動機一樣瘋狂地旋轉。自1967年發現脈衝星以來，脈衝星的搜尋就成為天文領域的熱門。目前，科學家們已經搜索到了超過3000顆脈衝星。其中轉得最快的脈衝星，旋轉周期是1.37ms，即一秒鐘就能夠轉完約730圈！這可是汽車引擎轉速的約10倍，若是人以同樣的速度轉圈，身體早已分崩離析了。而這3000多顆脈衝星中，最慢的得23.5秒才能轉完一圈。脈衝星的旋轉周期中蘊含了其演化的秘密。與汽車的制動類似，脈衝星的旋轉也有剎車與加速。脈衝星旋轉會損失能量，這導致它的旋轉速度越來越慢，這樣的“剎車”，最快的能達到十億年慢一秒，最慢的能達到一千萬億年才慢一秒。相反，如果脈衝星能得到能量的補充，就能越轉越快。這樣的“加速”，最快的能達到一千年快1秒，而最慢的則是一億億年才快1秒。最有趣的是，一些加速到毫秒量級周期的年老的脈衝星，很可能是通過吸取伴星的物質來加速。這一類脈衝星，是科學家們研究的熱點。
脈衝星能用來做什麼？
這些特性，讓科學家們“開發”出了脈衝星的應用。實際應用最多的有兩個：一是將脈衝星作為探針，用來探測銀河系中星際介質的分佈和密度；二是用來探測銀河系的磁場分佈與強度。科學家們已經在這兩個方向上努力了很多年。此外，科學家們也在探索將脈衝星用於計時和引力波探測。
脈衝星被稱為照亮銀河的“手電筒”。我們知道，銀河系中有數以萬億計的星星將夜空點亮如篝火，而就在這絢麗的光亮中，仍然充斥着片片黑暗。人類的眼睛已看不清藏匿在這黑暗中的角色，我們需要一個特殊的手段來使它無所遁形——用脈衝星的“星光”來照亮黑暗中的物質，那些隱匿在黑暗中的稀薄氣體。我們稱這些氣體為星際介質。
星際介質中能夠對脈衝星信號造成最顯著影響的就數電離氣體了。脈衝星朝我們發來的電磁信號會與電離氣體中的自由電子相互作用，造成一部分電磁信號會延遲到達地球。可以想見的是，傳播的路程越長，路徑上的電離氣體越多，延遲就會越厲害。科學家們通過測量延遲的程度，反推出在這個路徑上的電離氣體的密度。而當遍佈於銀河的脈衝星都測量個遍了之後，銀河系中隱藏在黑暗之中的星際介質的位置和密度分佈也就會被探明了。
脈衝星也是讓我們看清銀河系磁場結構的得力工具。脈衝星發出的信號攜帶着一種叫偏振的屬性，當與磁場相遇時，這種屬性便會發生改變（法拉第旋轉，信號的偏振的方向會發生改變），而且磁場越強，改變的幅度越大。因此，科學家根據這種現象來確定銀河系的磁場方向。
1997年，在測量了包括脈衝星在內的551顆射電源後，研究人員發現在銀河系中心的西北方向和東南方向的磁場指向我們，而在銀河系中心東北方向和西南方向的磁場背向我們。2014年，研究人員利用更多的射電源對全天的磁場進行了測量，再次證實這一發現。到了2017年，銀河系磁場分佈的三維圖像被勾勒出來。原來，銀河系中存在着平行於銀河系和垂直於銀河系的磁場。以北銀極為正方向，銀河系北邊的磁場平行於銀河系平面且呈逆時針方向，而南邊的磁場則是順時針方向發展。對於垂直的磁場而言，整個銀河系就像一個磁鐵。這塊磁鐵的磁場從南銀極發出，最後回到北銀極。這些磁場分佈於廣泛的銀河系周圍的空間，其強度約為0.3個微高斯，相比於地磁場約0.6高斯的強度，弱了2000倍。
實際上，人類還仍未探測到銀河系磁場的全部。由於地球幾乎位於銀河系圓盤一邊的中間，我們就很難探測到銀河系遠處半個盤面的星星，也就不能知道銀河系這些遠區磁場的具體情況了。這個困難還需要後來的科學家們想辦法克服。
脈衝星也是永不斷電的“鐘錶”。人類文明誕生以來，“時間”是一切人類活動的參照基準。從“日出而作、日落而息”，到古代利用滴水來計時，再到如今利用“氫鐘”來計算時間，可以説，伴隨着人類社會的進步發展，我們對時間精準度和穩定性的要求越來越高。目前氫鐘的計時已經非常精準，但從長遠來看，仍然存在着穩定性不夠的問題。研究脈衝星的一個重要價值，就在於彌補這一問題。
脈衝星具有穩定的旋轉周期，有一些每萬億年才會慢1秒，具有長期的穩定性，也就是説，我們的脈衝星“時鐘”要過萬億年才需要往前調1秒。而且，脈衝星“鐘錶”是永不斷電的，像氫鐘這樣的精密儀器需要精心的保護，磕磕碰碰是不行的。而脈衝星則沒有這樣的擔憂，沒有什麼能夠干擾到脈衝星，只要幾架大型射電望遠鏡便可接收到它們的信號。將氫鐘和脈衝星的時間結合，就能夠得到精準且長時間穩定的時間系統。如果這件事情能做好，那麼就是為我們將來的星際航行打好了基礎。
脈衝星也有望成為探測引力波的利器。在相對論的框架下，我們可以把三維空間比作二維的水面，當有一顆石子投入水中，就會激起漣漪，這個漣漪就是我們的空間漣漪，被稱為引力波。從脈衝星發射出來的信號就像是在水面勻速行走的船隻，當水面平靜的時候，它可以以固定的時間到達我們，當水面有漣漪的時候，它到達我們的時間就會變慢。所以，由於引力波的作用，脈衝信號到達我們的時間會改變，反之，通過測量信號到達時間的改變，我們就可以知道引力波的存在了。人們通過監測天空中位於不同方位的脈衝星，就可以反推出地球周邊的引力波情況。這一工作有許多的科學家正在推進，期待取得突破的那一天。
（作者：王濤、景威聰，均係中國科學院國家天文&博士研究生）