會“唱歌”的星

□文/宋媛媛

脈沖星想象圖 供圖/銳景創(chuàng)意

今年中國科學(xué)院大學(xué)寄給本科新生的錄取通知書顯得非常獨特，因為里面還有一組來自宇宙深處的聲音——錄取通知書中附贈了一張?zhí)厥獾暮谀z光盤，刻錄了中國科學(xué)院大學(xué)師生通過中國天眼（FAST）捕獲的15顆脈沖星信號，這些信號在經(jīng)過小限度處理后，以音頻的形式呈現(xiàn)。

仔細(xì)聽，這些聲音有的像是汽船正在鳴笛離港、草原上的牧民打馬而過，有的像是心臟跳動的聲音、雨聲、手持煙花燃放時發(fā)出的聲音……

大家一定很好奇吧，脈沖星究竟是什么樣的星，它們?yōu)槭裁茨馨l(fā)出“聲音”？今天我們就來聊一聊神奇的脈沖星。

宇宙中的“小綠人”

脈沖是什么呢？我們可以摸摸自己的脈搏或者心臟，它們都在穩(wěn)定、規(guī)律、有節(jié)奏地跳動，這就是一種脈沖信號，我們用手就能感受到。宇宙中有一種星星也能發(fā)出規(guī)律的、周期性的脈沖信號，它們就是脈沖星。

脈沖星無法被肉眼觀測，在古代人們并不知道它的存在，關(guān)于脈沖星的探測和研究也不過只有幾十年的歷史。在20世紀(jì)60年代，脈沖星才首次被探測到，它的探測離不開一種望遠(yuǎn)鏡——射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，原先用于戰(zhàn)爭的大量武器裝備紛紛失去了用武之地，于是科學(xué)家非常聰明地對它們進(jìn)行改造，應(yīng)用到科學(xué)研究的領(lǐng)域，其中雷達(dá)、無線電等就被用到射電望遠(yuǎn)鏡上，從此開啟了射電天文學(xué)的研究。

那么，什么是射電呢？宇宙中的天體會發(fā)出各個波段的信號，有可見光、無線電、紅外線、X射線、伽馬射線等。我們常見的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡只能接收可見光波段的信號，射電望遠(yuǎn)鏡能接收無線電波的信號，除此之外，還有紅外線望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡等。通過不同波段的探測，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的廣闊宇宙，很多新發(fā)現(xiàn)相繼出現(xiàn)，脈沖星就是其中之一。

讓我們把時間拉回到1967年，看看脈沖星是如何被發(fā)現(xiàn)的吧！

1967年的英國劍橋大學(xué)，安東尼·休伊什教授和他的學(xué)生喬瑟琳·貝爾正在利用射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行相關(guān)的探測和研究。射電望遠(yuǎn)鏡接收的信號以信號波的形式被記錄在紙上，圖案很像心電圖，每天的記錄紙帶長達(dá)30米！24歲的貝爾負(fù)責(zé)將這些“心電圖”進(jìn)行分析和處理，面對煩瑣的工作，貝爾展現(xiàn)了非凡的耐心和細(xì)心。終于，她的辛苦付出有了豐厚的回報。一天，貝爾在冗長的記錄中發(fā)現(xiàn)了一段很規(guī)律的脈沖信號，每隔1.337秒重復(fù)一次！這樣快速而有規(guī)律的信號不像是一個星體發(fā)出的，難道是外星人在向地球發(fā)射信號嗎？

當(dāng)時英國有一本非常熱銷的關(guān)于外星人的科幻小說，書中出現(xiàn)的外星人通體為綠色，所以這個脈沖信號被稱為LGM（Little Green Men）1，即小綠人1號。在與導(dǎo)師休伊什商量之后，貝爾繼續(xù)進(jìn)行觀測。到了11月，貝爾又發(fā)現(xiàn)了3個與之前相似的脈沖信號，而且是在天空的不同位置！它們被稱為LGM2、LGM3、LGM4，即小綠人2號、小綠人3號、小綠人4號。這真的是外星人發(fā)出的信號嗎？貝爾和導(dǎo)師休伊什基本排除了這種可能，因為外星人不可能在4個相距非常遙遠(yuǎn)的位置紛紛向地球發(fā)信號，所以這很可能是一種前所未見的、會發(fā)出脈沖信號的天體，他們就將這類天體命名為脈沖星。

脈沖星的發(fā)現(xiàn)在天文界引起了巨大的轟動，一類新天體被發(fā)現(xiàn)了，很多天文學(xué)家開始對脈沖星進(jìn)行探測和研究。貝爾的導(dǎo)師休伊什因此獲得了1974年的諾貝爾物理學(xué)獎，遺憾的是，脈沖星的第一發(fā)現(xiàn)者貝爾卻未獲獎，這在當(dāng)時還引起了很大的爭議。不過，人們卻記住了這位認(rèn)真執(zhí)著、細(xì)心敏銳的科學(xué)家貝爾女士。

會“唱歌”的中子星

這個會發(fā)出規(guī)律信號的脈沖星到底是如何形成的？在隨后的研究中，科學(xué)家揭開了它的神秘面紗。脈沖星其實就是會發(fā)出脈沖信號的中子星！

中子星是一種高度致密的天體，1立方厘米的體積上能有重達(dá)10億噸的物質(zhì)！我們地球上沒有這樣高密度的物質(zhì)。一個半徑只有10千米左右的中子星，質(zhì)量卻能達(dá)到太陽的2倍！其實，中子星是恒星演化的老年階段，當(dāng)一顆恒星走完它的“中年期”后，先會急劇膨脹形成紅巨星或紅超巨星，再急劇坍縮，最終會根據(jù)質(zhì)量大小，形成白矮星、中子星或者黑洞。

喬瑟琳·貝爾

快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星

中子星還有一個特點就是自轉(zhuǎn)非常快。恒星在急劇坍縮成中子星的過程中，直徑快速變小，自轉(zhuǎn)會不斷加快，形成極快的轉(zhuǎn)速。這就像花樣滑冰運動員在旋轉(zhuǎn)時會收緊雙臂，能讓旋轉(zhuǎn)速度加快一樣。

那么，中子星是如何發(fā)出脈沖信號而成為脈沖星的呢？

在坍縮的過程中，中子星原有的磁場被壓縮，變得高度密集，形成非常強大的磁場，強度是太陽磁場的幾千億至上萬億倍！真是超級強的磁場！在中子星極快速旋轉(zhuǎn)時，它的磁場就會發(fā)出束狀的輻射，形成的效果就像海上旋轉(zhuǎn)的燈塔一樣。如果我們的地球正好處在束狀輻射掃過的區(qū)域，就有可能通過射電望遠(yuǎn)鏡接收到脈沖信號。由此可見，脈沖星本質(zhì)就是中子星，不過并不是所有的中子星都會發(fā)出脈沖信號。

那么，文章開頭提到的脈沖星“聲音”是怎么來的呢？其實并不是它們真的會發(fā)出聲音，這是科學(xué)家將接收到的射電信號轉(zhuǎn)換成了人耳能聽到的聲波，這樣我們就能“聽”到脈沖星了！

為啥要研究脈沖星

說了這么多脈沖星的故事，你可能會問，研究這么遙遠(yuǎn)的天體有啥用呢？

除了能更深入地認(rèn)識宇宙，科學(xué)家還認(rèn)為，脈沖星特殊的性質(zhì)能幫助我們在未來進(jìn)行星際定位！脈沖星的自轉(zhuǎn)周期非常穩(wěn)定，堪比原子鐘。它們發(fā)出的脈沖信號很容易識別，假如未來在星際旅行中，宇宙飛船想要知道自己的位置，只要探測宇宙中3顆以上的脈沖星就能獲取位置信息了。因此，脈沖星簡直是天然的導(dǎo)航系統(tǒng)！

位于貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），是目前世界上最大、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，它已經(jīng)探測到了數(shù)十顆脈沖星。在2018年，F(xiàn)AST首次發(fā)現(xiàn)了毫秒脈沖星，這顆脈沖星的自轉(zhuǎn)能達(dá)到每秒上百次，自轉(zhuǎn)周期為5.19毫秒！而國際上其他射電望遠(yuǎn)鏡都未能觀測到它。

研究脈沖星對于理解中子星的演化、引力波、黑洞都有重要的意義，相信隨著研究的不斷深入，未來科學(xué)家在脈沖星領(lǐng)域?qū)⒂懈嘈掳l(fā)現(xiàn)，對廣袤的宇宙也有更深入的認(rèn)識，讓我們拭目以待吧！

恒星在急劇坍縮成中子星 供圖/銳景創(chuàng)意