“中國天眼”FAST 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 883 顆脈沖星，并且計劃年內(nèi)將這個數(shù)字刷新到 1000 顆。
那么，脈沖星究竟是什么？為什么要大費周章地找，找到以后又有什么用呢？今天咱們就來仔細聊聊，順便再跟大家分享點關(guān)于 FAST 的小八卦。
脈沖星是指瘋狂閃爍的星嗎？
先說說“脈沖星”。從地球看來，脈沖星是周期性地閃爍電磁脈沖的天體，脈沖間隔極短，從幾毫秒到上百秒不等。不過，脈沖星并不是真的在閃爍，所謂脈沖，只是脈沖星以發(fā)瘋般的速度旋轉(zhuǎn)造成的假象。那脈沖星是怎么來的呢？其實是恒星“內(nèi)心拉扯”的結(jié)果。
我們?nèi)庋勰芸吹降摹罢！焙阈牵瑑?nèi)部都有兩股力量在相互抗衡：引力驅(qū)使恒星物質(zhì)向核心墜落，而核聚變釋放的能量則把物質(zhì)向外推。
核聚變的燃料總有用完的一天，所以引力總能最終贏得這場角力。當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星（例如，超過 8 倍太陽質(zhì)量）最終耗盡所有燃料時，它就會向中心坍縮，發(fā)生猛烈的內(nèi)爆，再向外彌散，迸發(fā)出一朵絢爛的“煙花”。這個過程叫做“超新星爆發(fā)”。
北宋至和元年（1054 年），金牛座的“天關(guān)”星宿附近爆發(fā)過一顆超新星，白天可見 23 天，夜晚可見 22 個月。這起超新星爆發(fā)被中國的天文學(xué)家記錄下來，史稱“天關(guān)客星”。
塵煙散去，在恒星原來的位置，可能會留下一顆非常致密的天體——中子星。在其內(nèi)部，原子結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，電子被壓入原子核，與質(zhì)子結(jié)合為中子。中子星的質(zhì)量超過 1.4 個太陽，直徑卻只有十幾公里。換句話說，每立方厘米的中子星物質(zhì)，相當(dāng)于全球人類的質(zhì)量總和！
中子星還繼承了恒星殘余質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)角動量。在同樣的角動量下，轉(zhuǎn)速與半徑的平方成反比。我們每每看到，冰舞運動員在旋轉(zhuǎn)時把雙臂收攏或舉到頭頂，就會猛然滴溜溜地轉(zhuǎn)得飛快。同理，當(dāng)恒星坍縮為中子星后，轉(zhuǎn)速會成億倍地飆升。
中子星具有強磁場，驅(qū)動其周圍的帶電粒子，發(fā)出強烈的射電輻射束，從它的兩個磁極噴涌而出。如果隨中子星自轉(zhuǎn)的輻射束正好掃過地球，我們就能測到周期性的射電脈沖，就好比某些迪廳的特效燈總是在轉(zhuǎn)圈圈，雖然燈光一直開著，但從一個方向看過去就時亮?xí)r暗。嗯，這么一比喻，那脈沖星可以說屬于是恒星的遺體在自己墳頭蹦迪了……
前面提過的天關(guān)客星，就留下了一顆周期 33 毫秒（每秒自轉(zhuǎn) 30 圈）的脈沖星，拋散出的漸冷煙花則是著名的蟹狀星云。
在全球發(fā)現(xiàn)的 3000 多顆脈沖星中，絕大多數(shù)是中子星，但也有 2 顆是白矮星（還保有原子結(jié)構(gòu)的低質(zhì)量恒星遺骸）：天蝎座 AR 和寶瓶座 AE。
FAST 可不是“快”的意思
大部分脈沖星在可見光波段沒有顯著輻射，而在射電波段看起來比較亮。幸運的是，在地球這邊，大氣層對射電波段相當(dāng)優(yōu)待，透明度極高，所以射電望遠鏡特別適合在地面上觀測脈沖星。
FAST 的名字來自“500 米口徑球面射電望遠鏡”（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）的英文縮寫。這座巨型單碟射電望遠鏡坐落在貴州省平塘縣大窩凼（dàng），依照喀斯特地貌的天然洼地而建，2011 年開工，2016 年落成，是目前世界第一大的全口徑均有反射面的射電望遠鏡（俄羅斯的 RATAN-600 口徑雖有 576 米，卻只有細細一圈反射環(huán)）。
——順便說說，大家可能覺得 FAST 這個縮寫聽起來很酷，而全稱卻顯得太直白了。沒辦法，“縮寫不明覺厲，全稱真沒創(chuàng)意”這是天文界的傳統(tǒng)，比如 TMT 是“30 米望遠鏡”，VLT 是“甚大望遠鏡”，ELT 是“特大望遠鏡”，EELT 是“歐洲特大望遠鏡”。韋布空間望遠鏡聽起來是不是還算正常？可它最初的名字其實是“下一代空間望遠鏡”（相對于哈勃而言）……
為什么射電望遠鏡都這么大？這是因為在相同的分辨率需求下，要觀測的波長越長，“鍋”的口徑就得越大，不然就看不清了。在紅外波段工作的韋布望遠鏡比主攻可見光的哈勃望遠鏡口徑要大（6.5 米 vs 2.4 米），而射電望遠鏡要觀測的波段，比這倆還要高 5、6 個數(shù)量級，那是真非往大了整不可了，口徑就是正義用在這里是一點都沒錯。
細心的讀者可能還有兩個疑問：
①球面實際上無法將遙遠星光匯聚到單一焦點，得用拋物面才行，F(xiàn)AST 為何要做成球面望遠鏡？
②一口大鍋這么擺在地上，豈不是只盯著天頂一點，就算隨著地球自轉(zhuǎn)，也只能掃描天頂所在的這個圓？
實際上，這是一個常見的誤解，也是科普的時候使用簡略類比帶來的負面影響。因為形狀的關(guān)系，我們很喜歡把各類射電望遠鏡稱為“鍋”。但是這樣一來，我們的思維也會被誤導(dǎo)，容易覺得 FAST 也像咱們家炒菜的大鐵鍋一樣，硬邦邦一整個，形狀不會改變，但實際上，F(xiàn)AST 的身段靈活得很。
FAST 由 4450 片反射板拼成，通過電機驅(qū)動，這些反射板能夠改變姿態(tài)，當(dāng)一片區(qū)域的反射板在統(tǒng)一指揮下規(guī)律地調(diào)整，就能在“鍋”里泛起一片“漣漪”，改變鏡面的形狀。
經(jīng)“FAST 之父”南仁東和團隊的計算，只需和球面偏離 0.47 米，就可以把口徑 300 米的球面改成拋物面，把射電信號聚焦在一點。所以，在任意時刻，F(xiàn)AST 只有一片口徑 300 米的圓形工作區(qū)域。通過反射板的齊心協(xié)力地調(diào)整，這個工作區(qū)能在“鍋”里自如“漂移”，所以可觀測天區(qū)的范圍相當(dāng)廣。
倘若保持完整的 300 米口徑，能從北緯 52.2°（工作區(qū)緊貼鍋南沿）觀測到南緯 0.6°（工作區(qū)緊貼鍋北沿）。如果愿意犧牲一點有效口徑，則可以覆蓋北緯 65.8° 到南緯 14.2° 的天空。
觀測脈沖星有什么實際應(yīng)用？
FAST 發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星，那么觀測脈沖星有什么實際應(yīng)用？它的用處還真不少。
當(dāng)脈沖星發(fā)來的信號穿越星際時，會被沿途的電離氣體阻礙，造成延遲。路程越長，電離氣體越多，遲到越厲害。如果知道了脈沖星離我們有多遠，再通過精密測量延遲的程度，就能反推信號沿途的星際介質(zhì)分布情況。
影響脈沖星信號的還有磁場，當(dāng)電磁信號經(jīng)過磁場時，它的偏振屬性會被改變，磁場越強，改變幅度越大。測量信號的偏振，能夠反推信號沿途的磁場分布情況。
當(dāng)超大質(zhì)量天體擾動時空時，會產(chǎn)生引力波，改變脈沖星信號到達我們的時間。所以通過精確測量脈沖星周期的起伏，可以探測引力波。倘若能發(fā)現(xiàn)脈沖星-黑洞雙星系統(tǒng)，觀測一個穩(wěn)定輸出的天體和一個扭曲時空的天體如何攪拌乾坤，就更能檢驗廣義相對論的預(yù)言，大大推動基礎(chǔ)物理研究。
脈沖星的自轉(zhuǎn)周期非常穩(wěn)定，有些在長期表現(xiàn)上堪與原子鐘媲美，并且它們“永不斷電”，可比原子鐘皮實多了。將脈沖星和原子鐘結(jié)合起來，可以建立長時間穩(wěn)定的精準(zhǔn)時間系統(tǒng)，甚至用于星際導(dǎo)航。
最后總結(jié)一下，F(xiàn)AST和它發(fā)現(xiàn)的脈沖星們，會幫助我們更好地認識宇宙，而這些發(fā)現(xiàn)，說不定有朝一日還能夠幫助人類在星海中航行。
