宇宙“燈塔”照亮引力波探測新窗口

王培 張承民

近日，中科院國家天文臺500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）又有新突破。通過與美國國家航空航天局（NASA）的費米伽馬射線衛星共同合作，FAST發現一個毫秒脈沖星并獲得國際認證。這是中美科學裝置首次在地面和太空、射電與高能波段合作完成的天文學發現，也是FAST繼發現脈沖星之后的另一重要成果。

毫秒脈沖星是每秒鐘旋轉上百圈的中子星。這顆編號為J0318+0253的毫秒脈沖星距離地球約4000光年，自轉周期為5.19毫秒。它對于研究中子星內部結構、探測低頻引力波以及理解宇宙結構形成及演化有著重要意義。

并非來自外星人的周期性信號

關于脈沖星，很多人已經聽過它被發現的故事。

1967年，英國劍橋大學年僅24歲的研究生喬瑟琳·貝爾發現，狐貍星座方向的一顆星每隔1.37秒向地球發出一個電磁脈沖信號。其信號周期極其穩定，科學家們甚至一度興奮地認為找到了外星人存在的證據：周期性發出的電磁波，是外星“小綠人”向地球發出的信號。

不過對外星文明的盼望再熱切，也需要理性的科學驗證。經過一段時間的研究分析，科學家確認周期性電磁信號來自一類新天體，并將它命名為脈沖星。

脈沖星實際是一顆快速旋轉的中子星。一部分恒星會在生命的終點發生一次劇烈的超新星爆發，并在中心留下一顆致密的球狀天體——中子星。這個質量與太陽相當、半徑只有10公里左右的天體，會攜帶恒星爆發后殘余的能量快速自轉，并沿著磁軸的方向向外以電磁波束的形式輻射能量。此時的中子星，就如同茫茫海洋中快速旋轉的燈塔，它發出的電磁波如同燈塔上迅速旋轉的光束。如果地球恰好處于電磁波束的“掃射”范圍內，科學家就有可能觀測到來自太空的周期性電磁脈沖，也即找到一顆脈沖星。

脈沖星的發現，確定了中子星的存在及其與超新星爆發的關系，同時提供了在銀河系內估計天體距離的新方法。它與類星體、宇宙微波背景輻射、星際分子一道，被稱為20世紀60年代天文學四大發現。

飛速旋轉的“小個子”

自1967年以來，天文學家已發現2700多顆脈沖星。它們的自轉周期大多為數十毫秒至數秒不等。相比之下，毫秒脈沖星的自轉要快得多，幾毫秒的時間就能自轉一周。目前已發現的自轉最快的脈沖星每秒能旋轉716轉，周期僅為1.39毫秒。

對于毫秒脈沖星為何能轉得如此快，天文學家并未形成一致意見。主流觀點認為它們原本是周期較長的脈沖星，在吸積伴星物質的過程中不斷自轉加速而產生。這一加速過程通常長達百萬年，因此毫秒脈沖星也通常是年老的脈沖星。

要發現毫秒脈沖星并不容易。首顆毫秒脈沖星于1982年發現，至今共發現了300多顆這樣奇特的脈沖星，約占脈沖星總量的10%。它的發現不僅依賴于望遠鏡高分辨的數據記錄，還需要高性能計算集群和人工智能等數據分析方法。此外，毫秒脈沖星的銀河系分布也是影響觀測的原因之一。正常脈沖星主要集中在銀道面，而毫秒脈沖星在銀河系空間的分布較為彌散，因此尋找它可謂披沙揀金，需要付出更多時間和艱辛。

中科院國家天文臺李菂團隊在為FAST搜索毫秒脈沖星進行準備的過程中，重新處理了澳大利亞Parkes望遠鏡長期監測數據，于2016年在杜鵑座47球狀星團中發現了兩顆新毫秒脈沖星，成為中科院團隊首次發現的新射電脈沖星。

有些毫秒脈沖星可能在包括伽馬射線和射電在內的多個頻段輻射電磁波。FAST團隊此次的發現，便利用了這一點。今年2月，FAST依照NASA費米衛星的大視場望遠鏡所提供的待認證伽馬射線點源3FGL J0318.1+0252位置，進行了一小時的跟蹤觀測，通過仔細數據分析，發現一顆新射電毫秒脈沖星J0318+0253。

值得一提的是，相對于這些毫秒脈沖星的伽馬輻射來說，它的射電輻射要弱得多，這對射電望遠鏡提出了極高的靈敏度要求。此次發現的毫秒脈沖星，是迄今已發現的射電輻射最弱的高能毫秒脈沖星之一。美國阿雷西博305米口徑的國際大型射電望遠鏡過去曾對同一點源多次開展射電脈沖星搜索工作，但都未成功。

探索宇宙結構形成的窗口

脈沖星與引力波有著密切的聯系。人類第一次證實存在引力波，便是通過包含脈沖星PSR1913+16的雙星系統的自轉周期。它越來越慢的自轉，剛好符合愛因斯坦廣義相對論所預言的引力波效應。

毫秒脈沖星的發現和觀測，為天文學家研究引力波提供了新的可能。

脈沖星堪稱宇宙中最穩定的時鐘，其自轉極其穩定，自轉周期一般約10億年變化一秒，媲美精準的銫原子鐘。科學家設想，用數十顆計時性質良好的毫秒脈沖星形成脈沖星計時陣，來探測引力波。當有引力波事件發生時，引力波背景疊加在脈沖星測時觀測數據上，會表現為一種額外的“噪聲”，也即人們觀測到的脈沖星周期發生或長或短的變化。根據這種變化，結合脈沖星之間及其與地球的位置關系，可以得到引力波發生位置、波形、周期以及引力波源質量等信息。

與LIGO等地面探測計劃以及LISA等空間探測計劃不同，脈沖星計時陣能探測到周期更長的引力波，其周期在幾年至十幾年之間。這類引力波被稱為低頻（納赫茲）引力波，它們源自星系中心1億到100億倍太陽質量的超大質量黑洞的并合過程。而脈沖星測時陣列是目前唯一的能夠直接探測低頻引力波的方法。由于超大質量黑洞并合對于宇宙結構形成和演化起著主導的作用，低頻引力波源的探測相當于直接打開了探索宇宙結構的引力波窗口。

目前，天文學家利用國際上幾個口徑最大的射電望遠鏡，組成了三個脈沖星測時陣列，即歐洲的EPTA、澳大利亞的PPTA，以及美國的NANOGRAV。這三個項目又聯合成立了國際脈沖星測時陣列（IPTA），其靈敏度已經逼近“發現”引力波的水平。

脈沖星搜索是進行引力波探測研究的基礎。由于低頻引力波探測對于毫秒脈沖星的周期穩定性、所在空間環境等有著嚴苛的要求，因此目前IPTA可利用的毫秒脈沖星共計50顆。而FAST項目組正在策劃的FAST多科學目標同時巡天將發現大量毫秒脈沖星，大幅度提高脈沖星陣探測引力波的靈敏度。