王洪光

脉冲星：从外星人信号到中子星再到夸克星

1967年，英国剑桥大学的博士研究生乔丝琳·贝尔本打算用一架新建成的射电望远镜，通过天体的闪烁（类似星星眨眼睛的现象）来研究类星体，却无意间发现了一种快速的周期性脉冲信号。开始，她和导师休伊斯教授并不知道那是什么，甚至一度怀疑它们是不是外星人发出的信号，但很快，他们确认那是一种从未被发现过的天体，于是命名为脉冲星。1968年，人们终于明白脉冲星应该就是1932年苏联物理学家朗道预言的由中子构成的天体——中子星。脉冲星的脉冲周期也就是自转周期。快速自转的中子星从磁场的两极发出光束，如果光束能够扫过地球，我们就能接收到周期性的“闪光”，仿佛宇宙中一闪一闪的“灯塔”。

中子星从何而来？根据恒星演化理论，它的前身是较大质量的恒星;恒星在其“生命”的终点通过剧烈的超新星爆发，把大部分的外围物质炸飞，形成绚丽的超新星遗迹。其核心物质则在强大的引力作用下被压缩成密度极高的天体。如果核心区域物质低于3倍太阳质量，引力将把它们挤压到半径10千米左右的球里，形成中子星。中子星在引力场、磁场和电场强度以及物质密度等方面都远远超过它的父辈恒星，是宇宙中不折不扣的超高能和强引力物理实验室。

如前文所述，在脉冲星发现之初，人们相信脉冲星就是中子星。然而40多年来的理论研究表明，脉冲星也可能是中子星的“孪生兄弟”—夸克星。要理解这一点，不妨回顾一下历史。

中子星的概念源于一个大胆的猜想。1932年中子被发现后，朗道就猜想这种不带电荷的基本粒子能够靠核力粘在一起，形成所谓的中子星。不久，中子星被从理论上证明是可以稳定存在的，随后30多年恒星理论的研究则向人们揭示了中子星是恒星演化的终极产物之一。但20世纪50年代以后，人们对“中子是一种最基本的粒子”的看法渐渐有了变化，一些实验表明它和质子一样，可能是由更小的基本粒子构成的。1964年，美国物理学家盖尔曼和茨威格各自独立地提出中子和质子是由夸克构成的。4年后，这种粒子果真在美国斯坦福大学的粒子加速器中被发现了。很快，1969年，苏联物理学家伊万年科（Ivanenko）和库尔杰莱泽（Kurdgelaidze）猜想中子星的核心可能是由夸克，而不是由中子组成的;此后，完全由夸克构成的星星——夸克星的概念出现了，成了理论家们探险的新乐园。一种粒子的发现催生由这种粒子构成的天体的猜想，历史有时候是如此的相似。

理论上，中子星和夸克星都能在超新星爆发中诞生，它们都能产生射电脉冲等非常相似的现象，那么，如何证明脉冲星是中子星还是夸克星，或者说夸克星是否真的存在，成了脉冲星研究领域极具挑战性的难题之一。尽管夸克星在物理性质上和中子星还是有差别的，但人们一直没有找到观测证据。如果FAST能够找到夸克星，将是举世瞩目的发现，能够为研究基本粒子的强相互作用和夸克团块物质性质提供重要的实验依据。

FAST射电望远镜

它是目前世界上在建的最大的射电望远镜，位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县。直径500米，比目前的纪录保持者—美国阿雷西博305米射电望远镜还要大得多。FAST射电望远镜的探测本领高强，脉冲星是FAST的核心科学目标之一。按照计划，FAST将于明年9月建成，将使人们得以建立更为完善的脉冲星“动物园”，并用脉冲星作为工具探寻宇宙的基本规律，拓展人类的认知疆界。

形形色色的脉冲星

截至目前，人们已经发现了2500多颗脉冲星。脉冲星一个突出的特点是自转很快，最慢的十几秒转一圈，最快的每秒转动716圈，比F1赛车发动机的最高转速还要快将近两倍。如果问宇宙中磁场最强的天体是什么？非脉冲星莫属，因为它们星体表面的磁场能达到几千到几千亿特斯拉，超过所有已知的天体。很多人对特斯拉这个磁场单位没有概念，举个例子，生活用品中常见的小磁铁表面磁场一般在1特斯拉左右，脉冲星磁场之强可见一斑。

天文上经常把品种丰富的一大类天体称为某某动物园，例如星系动物园、脉冲星动物园等。经过人们40多年的观测，脉冲星动物园中已经有近十个品种。下面我们就来看看几种最有用处或最奇特的脉冲星吧。

毫秒脉冲星：

最精密的时钟

按照自转周期的差别，脉冲星通常被分为正常脉冲星和毫秒脉冲星。前者的自转周期要长于几十毫秒，磁场较强，后者的自转周期短于几十毫秒，磁场较弱，并且都非常年老。已知的200多颗毫秒脉冲星有80%左右位于双星系统中。一般认为，双星系统中的毫秒脉冲星是由正常脉冲星吞噬伴星的气体，自转被加速而形成的。

绝大部分脉冲星的自转都在变慢，整体上有很好的规律性。不过，通过长期的监测，人们发现大多数脉冲星的自转减慢有种种不规则的行为，难以做高精度的预测。只有少数毫秒脉冲星非常稳定，其中的一些比地面上最精确的氢原子钟“走时”还准。大自然赐予了如此精密的时钟，天文学家们自然要充分发挥它的作用。例如，它们可以用来发展独立的脉冲星时间标准，用来校准我们常用的、基于原子钟的授时系统;可以用来测量太阳系行星的质量;还可以用来捕捉引力波，等等。

磁星：

可能是宇宙中磁场最强的天体

磁星是20世纪70年代X射线和伽马射线卫星探测到的两种特殊天体的统称，最初并不叫磁星，而是两个让普通人望而生畏的名字——反常X射线脉冲星和软伽马射线重复暴。它们有一个非常吸引天文学家眼球的特点，即它们的X射线或伽马射线的辐射功率远远超过星体的自转动能变化所提供的功率，听起来就像收入微薄的穷人却过着挥金如土的富豪生活。额外的能量从何而来？一直是个谜。

1992年，美国的天文学家邓肯和汤普森提出猜想，认为这些额外的能量来自于巨大的磁场能量的释放。这要求星体表面磁场超过44亿特斯拉，远强于普通脉冲星，所以他们给这种天体起了“磁星”的名字。对理论家们来说，磁星有难以抵挡的吸引力，因为超强磁场中物质的行为是过去鲜有人挖掘的金矿，也不可能有地面实验条件。磁星提供了绝好的研究机遇。但是反对的声音不绝于耳，有人认为这些能量可能是中子星吞噬环绕在它周围的气体而产生的，而中子星本身并没有超强磁场。有关磁星的发现也是NASA等机构的科学新闻的宠儿，大众由此对磁星这个名字渐渐熟悉。迄今为止，人类已发现的磁星有28颗，如果将来证实它们确实具有超强磁场，无疑是宇宙中磁场最强的一批天体。

消零脉冲星：

辐射是间歇性“发作”

大部分脉冲星都在持续地发出射电脉冲，但是有一部分脉冲星的辐射却是间歇式的。其中数量较多的一种叫消零脉冲星，目前发现了约200个。这种脉冲星的辐射通常会持续一段时间，然后沉寂数秒到数十分钟，此为脉冲消零现象。大多数消零脉冲星沉寂的时间比例不超过20%，极个别能达到90%左右。2006年，人们发现了一个极端品种，名叫自转射电暂现源（缩写为RRATs，类似老鼠的英文发音），每次只发出一个持续几毫秒的脉冲信号，然后沉寂几分钟到几个小时，再发出下一个。另外一个叫作间歇脉冲星的极端品种，沉寂的时间要长得多。例如一颗名为PSR B1937+21的脉冲星，通常“工作”5～10天（有辐射），然后“休息”4～5周（无辐射）;有的脉冲星“休息”的时间更长。

]脉冲星个头虽小，但是能量很大，现象很丰富，品种很多。尤其重要的是，对脉冲星的研究有可能助科学家取得对微观世界和宏观世界基本规律的深刻认识。在过去的40多年，脉冲星的发现（1974年）和脉冲双星间接验证引力波理论（1993）分别被授予诺贝尔物理学奖。未来的脉冲星研究仍可能有诺贝尔奖量级的重要发现。