“眨眼睛”的星星:探秘脉冲星

作者: 王涛、景威聪

来源: 光明日报

发布日期: 2022-07-31 08:00:53

本文详细介绍了脉冲星的发现、特性及其在天文学中的应用,包括作为星际介质和银河系磁场的探针,以及在计时和引力波探测中的潜力。

中国“天眼”是世界上最强大的脉冲星搜寻利器。截至2022年1月,已发现约500颗脉冲星。20世纪60年代,当第一颗脉冲星CP1919被发现的时候,很多人怀疑那是外星人发来的信号——因为它太过规律,每隔1.337秒都能收到它发出的信号。如今,我们已经知道,脉冲星是自转并具有准直的辐射束的中子星。因其许多不可思议的性质,有很多潜在的应用,比如用于星际旅行的导航。

现在,科学家们对脉冲星的研究仍在不断深入。

晴朗夜空,我们一抬头就能看到许多明亮的星星。如果认真地盯着某一颗星星看,由于地球大气湍流的折射,它会忽明忽暗,这就是我们儿歌里唱的“一闪一闪亮晶晶”。假如我们坐飞船到太空去看星星,一般来说,星星是不会“眨眼睛”的。但宇宙总是给我们太多惊喜,太空中还真有一类特殊的“眨眼睛”的星星——脉冲星。

脉冲星被称为20世纪60年代四大发现之一。世界上第一颗被发现的脉冲星叫作CP1919,是由天文学家贝尔和她的老师休伊什共同发现的。在此之前,谁也没有见过脉冲星的信号长什么样子,以至于起初贝尔将脉冲星信号当作了人造的干扰。之后,他们重复、多次收到了这样的信号,在扣除地球自身的运动后,发现这个怪异的信号竟然具有1.337秒的周期。于是,贝尔和休伊什将这次发现发表在国际期刊上,顿时引起了强烈反响。

在天文学家眼里,宇宙间小至地球这样的行星,大至银河系,乃至整个宇宙这样的大尺度结构,都有着鲜活的“生命”——它们都有“生老病死”。主流观点认为,当一颗超过8倍太阳质量的恒星演化到末期后,其物质会向中心坍缩,然后发生猛烈的爆炸(超新星爆炸),强大的冲击波使得物质向外弥散,并与星际介质相互作用,形成一个漂亮的“礼花”,这个过程被称为超新星爆炸,这个巨大的“礼花”就是超新星遗迹。

在这“礼花”的中心,有机会诞生一颗中子星。当这颗中子星自转起来,并具有准直的辐射束时,就成为一颗脉冲星。

脉冲星有很多独特的特性,让天文学家们深深为之着迷。特性一:超高的密度。大家都知道,构成世间万物的最小单位是原子,而偏偏中子星生得奇怪——主流的说法是,构成它的全是比原子更小的物质,中子。这么看来,中子星本身就是块巨大的原子核!那这样一颗星星密度有多大呢?10^14g/cm³!

设想一下,我们的指甲盖差不多是1cm宽,一个小指头大约就是1立方厘米,如果这里面填充的是中子星密度的物质,那么将承载1亿吨的重量。

特性二:高速旋转的“陀螺”。中子星会像汽车发动机一样疯狂地旋转。自1967年发现脉冲星以来,脉冲星的搜寻就成为天文领域的热门。目前,科学家们已经搜索到了超过3000颗脉冲星。其中转得最快的脉冲星,旋转周期是1.37ms,即一秒钟就能够转完约730圈!

这可是汽车引擎转速的约10倍,若是人以同样的速度转圈,身体早已分崩离析了。而这3000多颗脉冲星中,最慢的得23.5秒才能转完一圈。脉冲星的旋转周期中蕴含了其演化的秘密。与汽车的制动类似,脉冲星的旋转也有刹车与加速。

这些特性,让科学家们“开发”出了脉冲星的应用。实际应用最多的有两个:一是将脉冲星作为探针,用来探测银河系中星际介质的分布和密度;二是用来探测银河系的磁场分布与强度。科学家们已经在这两个方向上努力了很多年。此外,科学家们也在探索将脉冲星用于计时和引力波探测。

脉冲星被称为照亮银河的“手电筒”。我们知道,银河系中有数以万亿计的星星将夜空点亮如篝火,而就在这绚丽的光亮中,仍然充斥着片片黑暗。人类的眼睛已看不清藏匿在这黑暗中的角色,我们需要一个特殊的手段来使它无所遁形——用脉冲星的“星光”来照亮黑暗中的物质,那些隐匿在黑暗中的稀薄气体。我们称这些气体为星际介质。

脉冲星也是永不断电的“钟表”。人类文明诞生以来,“时间”是一切人类活动的参照基准。从“日出而作、日落而息”,到古代利用滴水来计时,再到如今利用“氢钟”来计算时间,可以说,伴随着人类社会的进步发展,我们对时间精准度和稳定性的要求越来越高。目前氢钟的计时已经非常精准,但从长远来看,仍然存在着稳定性不够的问题。研究脉冲星的一个重要价值,就在于弥补这一问题。

脉冲星也有望成为探测引力波的利器。

在相对论的框架下,我们可以把三维空间比作二维的水面,当有一颗石子投入水中,就会激起涟漪,这个涟漪就是我们的空间涟漪,被称为引力波。从脉冲星发射出来的信号就像是在水面匀速行走的船只,当水面平静的时候,它可以以固定的时间到达我们,当水面有涟漪的时候,它到达我们的时间就会变慢。所以,由于引力波的作用,脉冲信号到达我们的时间会改变,反之,通过测量信号到达时间的改变,我们就可以知道引力波的存在了。

人们通过监测天空中位于不同方位的脉冲星,就可以反推出地球周边的引力波情况。这一工作有许多的科学家正在推进,期待取得突破的那一天。

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