“中國(guó)天眼”FAST 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 883 顆脈沖星，并且計(jì)劃年內(nèi)將這個(gè)數(shù)字刷新到 1000 顆。

那么，脈沖星究竟是什么？為什么要大費(fèi)周章地找，找到以后又有什么用呢？今天咱們就來(lái)仔細(xì)聊聊，順便再跟大家分享點(diǎn)關(guān)于 FAST 的小八卦。

脈沖星是指瘋狂閃爍的星嗎？

先說(shuō)說(shuō)“脈沖星”。從地球看來(lái)，脈沖星是周期性地閃爍電磁脈沖的天體，脈沖間隔極短，從幾毫秒到上百秒不等。不過(guò)，脈沖星并不是真的在閃爍，所謂脈沖，只是脈沖星以發(fā)瘋般的速度旋轉(zhuǎn)造成的假象。那脈沖星是怎么來(lái)的呢？其實(shí)是恒星“內(nèi)心拉扯”的結(jié)果。

我們?nèi)庋勰芸吹降摹罢！焙阈?，?nèi)部都有兩股力量在相互抗衡：引力驅(qū)使恒星物質(zhì)向核心墜落，而核聚變釋放的能量則把物質(zhì)向外推。

核聚變的燃料總有用完的一天，所以引力總能最終贏得這場(chǎng)角力。當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星（例如，超過(guò) 8 倍太陽(yáng)質(zhì)量）最終耗盡所有燃料時(shí)，它就會(huì)向中心坍縮，發(fā)生猛烈的內(nèi)爆，再向外彌散，迸發(fā)出一朵絢爛的“煙花”。這個(gè)過(guò)程叫做“超新星爆發(fā)”。

北宋至和元年（1054 年），金牛座的“天關(guān)”星宿附近爆發(fā)過(guò)一顆超新星，白天可見(jiàn) 23 天，夜晚可見(jiàn) 22 個(gè)月。這起超新星爆發(fā)被中國(guó)的天文學(xué)家記錄下來(lái)，史稱(chēng)“天關(guān)客星”。

塵煙散去，在恒星原來(lái)的位置，可能會(huì)留下一顆非常致密的天體——中子星。在其內(nèi)部，原子結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，電子被壓入原子核，與質(zhì)子結(jié)合為中子。中子星的質(zhì)量超過(guò) 1.4 個(gè)太陽(yáng)，直徑卻只有十幾公里。換句話說(shuō)，每立方厘米的中子星物質(zhì)，相當(dāng)于全球人類(lèi)的質(zhì)量總和！

中子星還繼承了恒星殘余質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量。在同樣的角動(dòng)量下，轉(zhuǎn)速與半徑的平方成反比。我們每每看到，冰舞運(yùn)動(dòng)員在旋轉(zhuǎn)時(shí)把雙臂收攏或舉到頭頂，就會(huì)猛然滴溜溜地轉(zhuǎn)得飛快。同理，當(dāng)恒星坍縮為中子星后，轉(zhuǎn)速會(huì)成億倍地飆升。

中子星具有強(qiáng)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)其周?chē)膸щ娏Ｗ樱l(fā)出強(qiáng)烈的射電輻射束，從它的兩個(gè)磁極噴涌而出。如果隨中子星自轉(zhuǎn)的輻射束正好掃過(guò)地球，我們就能測(cè)到周期性的射電脈沖，就好比某些迪廳的特效燈總是在轉(zhuǎn)圈圈，雖然燈光一直開(kāi)著，但從一個(gè)方向看過(guò)去就時(shí)亮?xí)r暗。嗯，這么一比喻，那脈沖星可以說(shuō)屬于是恒星的遺體在自己墳頭蹦迪了……

前面提過(guò)的天關(guān)客星，就留下了一顆周期 33 毫秒（每秒自轉(zhuǎn) 30 圈）的脈沖星，拋散出的漸冷煙花則是著名的蟹狀星云。

在全球發(fā)現(xiàn)的 3000 多顆脈沖星中，絕大多數(shù)是中子星，但也有 2 顆是白矮星（還保有原子結(jié)構(gòu)的低質(zhì)量恒星遺?。禾煨?AR 和寶瓶座 AE。

FAST 可不是“快”的意思

大部分脈沖星在可見(jiàn)光波段沒(méi)有顯著輻射，而在射電波段看起來(lái)比較亮。幸運(yùn)的是，在地球這邊，大氣層對(duì)射電波段相當(dāng)優(yōu)待，透明度極高，所以射電望遠(yuǎn)鏡特別適合在地面上觀測(cè)脈沖星。

FAST 的名字來(lái)自“500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）的英文縮寫(xiě)。這座巨型單碟射電望遠(yuǎn)鏡坐落在貴州省平塘縣大窩凼（dàng），依照喀斯特地貌的天然洼地而建，2011 年開(kāi)工，2016 年落成，是目前世界第一大的全口徑均有反射面的射電望遠(yuǎn)鏡（俄羅斯的 RATAN-600 口徑雖有 576 米，卻只有細(xì)細(xì)一圈反射環(huán)）。

——順便說(shuō)說(shuō)，大家可能覺(jué)得 FAST 這個(gè)縮寫(xiě)聽(tīng)起來(lái)很酷，而全稱(chēng)卻顯得太直白了。沒(méi)辦法，“縮寫(xiě)不明覺(jué)厲，全稱(chēng)真沒(méi)創(chuàng)意”這是天文界的傳統(tǒng)，比如 TMT 是“30 米望遠(yuǎn)鏡”，VLT 是“甚大望遠(yuǎn)鏡”，ELT 是“特大望遠(yuǎn)鏡”，EELT 是“歐洲特大望遠(yuǎn)鏡”。韋布空間望遠(yuǎn)鏡聽(tīng)起來(lái)是不是還算正常？可它最初的名字其實(shí)是“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”（相對(duì)于哈勃而言）……

為什么射電望遠(yuǎn)鏡都這么大？這是因?yàn)樵谙嗤姆直媛市枨笙?，要觀測(cè)的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，“鍋”的口徑就得越大，不然就看不清了。在紅外波段工作的韋布望遠(yuǎn)鏡比主攻可見(jiàn)光的哈勃望遠(yuǎn)鏡口徑要大（6.5 米 vs 2.4 米），而射電望遠(yuǎn)鏡要觀測(cè)的波段，比這倆還要高 5、6 個(gè)數(shù)量級(jí)，那是真非往大了整不可了，口徑就是正義用在這里是一點(diǎn)都沒(méi)錯(cuò)。

細(xì)心的讀者可能還有兩個(gè)疑問(wèn)：

①球面實(shí)際上無(wú)法將遙遠(yuǎn)星光匯聚到單一焦點(diǎn)，得用拋物面才行，F(xiàn)AST 為何要做成球面望遠(yuǎn)鏡？

②一口大鍋這么擺在地上，豈不是只盯著天頂一點(diǎn)，就算隨著地球自轉(zhuǎn)，也只能掃描天頂所在的這個(gè)圓？

實(shí)際上，這是一個(gè)常見(jiàn)的誤解，也是科普的時(shí)候使用簡(jiǎn)略類(lèi)比帶來(lái)的負(fù)面影響。因?yàn)樾螤畹年P(guān)系，我們很喜歡把各類(lèi)射電望遠(yuǎn)鏡稱(chēng)為“鍋”。但是這樣一來(lái)，我們的思維也會(huì)被誤導(dǎo)，容易覺(jué)得 FAST 也像咱們家炒菜的大鐵鍋一樣，硬邦邦一整個(gè)，形狀不會(huì)改變，但實(shí)際上，F(xiàn)AST 的身段靈活得很。

FAST 由 4450 片反射板拼成，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些反射板能夠改變姿態(tài)，當(dāng)一片區(qū)域的反射板在統(tǒng)一指揮下規(guī)律地調(diào)整，就能在“鍋”里泛起一片“漣漪”，改變鏡面的形狀。

經(jīng)“FAST 之父”南仁東和團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，只需和球面偏離 0.47 米，就可以把口徑 300 米的球面改成拋物面，把射電信號(hào)聚焦在一點(diǎn)。所以，在任意時(shí)刻，F(xiàn)AST 只有一片口徑 300 米的圓形工作區(qū)域。通過(guò)反射板的齊心協(xié)力地調(diào)整，這個(gè)工作區(qū)能在“鍋”里自如“漂移”，所以可觀測(cè)天區(qū)的范圍相當(dāng)廣。

倘若保持完整的 300 米口徑，能從北緯 52.2°（工作區(qū)緊貼鍋南沿）觀測(cè)到南緯 0.6°（工作區(qū)緊貼鍋北沿）。如果愿意犧牲一點(diǎn)有效口徑，則可以覆蓋北緯 65.8° 到南緯 14.2° 的天空。

觀測(cè)脈沖星有什么實(shí)際應(yīng)用？

FAST 發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星，那么觀測(cè)脈沖星有什么實(shí)際應(yīng)用？它的用處還真不少。

當(dāng)脈沖星發(fā)來(lái)的信號(hào)穿越星際時(shí)，會(huì)被沿途的電離氣體阻礙，造成延遲。路程越長(zhǎng)，電離氣體越多，遲到越厲害。如果知道了脈沖星離我們有多遠(yuǎn)，再通過(guò)精密測(cè)量延遲的程度，就能反推信號(hào)沿途的星際介質(zhì)分布情況。

影響脈沖星信號(hào)的還有磁場(chǎng)，當(dāng)電磁信號(hào)經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，它的偏振屬性會(huì)被改變，磁場(chǎng)越強(qiáng)，改變幅度越大。測(cè)量信號(hào)的偏振，能夠反推信號(hào)沿途的磁場(chǎng)分布情況。

當(dāng)超大質(zhì)量天體擾動(dòng)時(shí)空時(shí)，會(huì)產(chǎn)生引力波，改變脈沖星信號(hào)到達(dá)我們的時(shí)間。所以通過(guò)精確測(cè)量脈沖星周期的起伏，可以探測(cè)引力波。倘若能發(fā)現(xiàn)脈沖星-黑洞雙星系統(tǒng)，觀測(cè)一個(gè)穩(wěn)定輸出的天體和一個(gè)扭曲時(shí)空的天體如何攪拌乾坤，就更能檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的預(yù)言，大大推動(dòng)基礎(chǔ)物理研究。

脈沖星的自轉(zhuǎn)周期非常穩(wěn)定，有些在長(zhǎng)期表現(xiàn)上堪與原子鐘媲美，并且它們“永不斷電”，可比原子鐘皮實(shí)多了。將脈沖星和原子鐘結(jié)合起來(lái)，可以建立長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的精準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)，甚至用于星際導(dǎo)航。

最后總結(jié)一下，F(xiàn)AST和它發(fā)現(xiàn)的脈沖星們，會(huì)幫助我們更好地認(rèn)識(shí)宇宙，而這些發(fā)現(xiàn)，說(shuō)不定有朝一日還能夠幫助人類(lèi)在星海中航行。