会“唱歌”的星
2020-12-10宋媛媛
□文/宋媛媛
脉冲星想象图 供图/锐景创意
今年中国科学院大学寄给本科新生的录取通知书显得非常独特，因为里面还有一组来自宇宙深处的声音——录取通知书中附赠了一张特殊的黑胶光盘，刻录了中国科学院大学师生通过中国天眼（FAST）捕获的15颗脉冲星信号，这些信号在经过小限度处理后，以音频的形式呈现。
仔细听，这些声音有的像是汽船正在鸣笛离港、草原上的牧民打马而过，有的像是心脏跳动的声音、雨声、手持烟花燃放时发出的声音……
大家一定很好奇吧，脉冲星究竟是什么样的星，它们为什么能发出“声音”？今天我们就来聊一聊神奇的脉冲星。
宇宙中的“小绿人”
脉冲是什么呢？我们可以摸摸自己的脉搏或者心脏，它们都在稳定、规律、有节奏地跳动，这就是一种脉冲信号，我们用手就能感受到。宇宙中有一种星星也能发出规律的、周期性的脉冲信号，它们就是脉冲星。
脉冲星无法被肉眼观测，在古代人们并不知道它的存在，关于脉冲星的探测和研究也不过只有几十年的历史。在20世纪60年代，脉冲星才首次被探测到，它的探测离不开一种望远镜——射电望远镜的发展。第二次世界大战结束后，原先用于战争的大量武器装备纷纷失去了用武之地，于是科学家非常聪明地对它们进行改造，应用到科学研究的领域，其中雷达、无线电等就被用到射电望远镜上，从此开启了射电天文学的研究。
那么，什么是射电呢？宇宙中的天体会发出各个波段的信号，有可见光、无线电、红外线、X射线、伽马射线等。我们常见的光学望远镜只能接收可见光波段的信号，射电望远镜能接收无线电波的信号，除此之外，还有红外线望远镜、X射线望远镜等。通过不同波段的探测，科学家发现了一个意想不到的广阔宇宙，很多新发现相继出现，脉冲星就是其中之一。
让我们把时间拉回到1967年，看看脉冲星是如何被发现的吧！
1967年的英国剑桥大学，安东尼·休伊什教授和他的学生乔瑟琳·贝尔正在利用射电望远镜进行相关的探测和研究。射电望远镜接收的信号以信号波的形式被记录在纸上，图案很像心电图，每天的记录纸带长达30米！24岁的贝尔负责将这些“心电图”进行分析和处理，面对烦琐的工作，贝尔展现了非凡的耐心和细心。终于，她的辛苦付出有了丰厚的回报。一天，贝尔在冗长的记录中发现了一段很规律的脉冲信号，每隔1.337秒重复一次！这样快速而有规律的信号不像是一个星体发出的，难道是外星人在向地球发射信号吗？
当时英国有一本非常热销的关于外星人的科幻小说，书中出现的外星人通体为绿色，所以这个脉冲信号被称为LGM（Little Green Men）1，即小绿人1号。在与导师休伊什商量之后，贝尔继续进行观测。到了11月，贝尔又发现了3个与之前相似的脉冲信号，而且是在天空的不同位置！它们被称为LGM2、LGM3、LGM4，即小绿人2号、小绿人3号、小绿人4号。这真的是外星人发出的信号吗？贝尔和导师休伊什基本排除了这种可能，因为外星人不可能在4个相距非常遥远的位置纷纷向地球发信号，所以这很可能是一种前所未见的、会发出脉冲信号的天体，他们就将这类天体命名为脉冲星。
脉冲星的发现在天文界引起了巨大的轰动，一类新天体被发现了，很多天文学家开始对脉冲星进行探测和研究。贝尔的导师休伊什因此获得了1974年的诺贝尔物理学奖，遗憾的是，脉冲星的第一发现者贝尔却未获奖，这在当时还引起了很大的争议。不过，人们却记住了这位认真执着、细心敏锐的科学家贝尔女士。
会“唱歌”的中子星
这个会发出规律信号的脉冲星到底是如何形成的？在随后的研究中，科学家揭开了它的神秘面纱。脉冲星其实就是会发出脉冲信号的中子星！
中子星是一种高度致密的天体，1立方厘米的体积上能有重达10亿吨的物质！我们地球上没有这样高密度的物质。一个半径只有10千米左右的中子星，质量却能达到太阳的2倍！其实，中子星是恒星演化的老年阶段，当一颗恒星走完它的“中年期”后，先会急剧膨胀形成红巨星或红超巨星，再急剧坍缩，最终会根据质量大小，形成白矮星、中子星或者黑洞。
乔瑟琳·贝尔
快速旋转的脉冲星
中子星还有一个特点就是自转非常快。恒星在急剧坍缩成中子星的过程中，直径快速变小，自转会不断加快，形成极快的转速。这就像花样滑冰运动员在旋转时会收紧双臂，能让旋转速度加快一样。
那么，中子星是如何发出脉冲信号而成为脉冲星的呢？
在坍缩的过程中，中子星原有的磁场被压缩，变得高度密集，形成非常强大的磁场，强度是太阳磁场的几千亿至上万亿倍！真是超级强的磁场！在中子星极快速旋转时，它的磁场就会发出束状的辐射，形成的效果就像海上旋转的灯塔一样。如果我们的地球正好处在束状辐射扫过的区域，就有可能通过射电望远镜接收到脉冲信号。由此可见，脉冲星本质就是中子星，不过并不是所有的中子星都会发出脉冲信号。
那么，文章开头提到的脉冲星“声音”是怎么来的呢？其实并不是它们真的会发出声音，这是科学家将接收到的射电信号转换成了人耳能听到的声波，这样我们就能“听”到脉冲星了！
为啥要研究脉冲星
说了这么多脉冲星的故事，你可能会问，研究这么遥远的天体有啥用呢？
除了能更深入地认识宇宙，科学家还认为，脉冲星特殊的性质能帮助我们在未来进行星际定位！脉冲星的自转周期非常稳定，堪比原子钟。它们发出的脉冲信号很容易识别，假如未来在星际旅行中，宇宙飞船想要知道自己的位置，只要探测宇宙中3颗以上的脉冲星就能获取位置信息了。因此，脉冲星简直是天然的导航系统！
位于贵州的500米口径球面射电望远镜（FAST），是目前世界上最大、最灵敏的射电望远镜，它已经探测到了数十颗脉冲星。在2018年，FAST首次发现了毫秒脉冲星，这颗脉冲星的自转能达到每秒上百次，自转周期为5.19毫秒！而国际上其他射电望远镜都未能观测到它。
研究脉冲星对于理解中子星的演化、引力波、黑洞都有重要的意义，相信随着研究的不断深入，未来科学家在脉冲星领域将有更多新发现，对广袤的宇宙也有更深入的认识，让我们拭目以待吧！
恒星在急剧坍缩成中子星 供图/锐景创意
