蝴蝶灯激光灯爆闪，一闪一闪脉冲星

在50年前的那个夏天，一位剑桥大学的博士生 Jocelyn Bell 使用她导师 Anthony Hewish 新设计的一台射电望远镜来寻找类星体（quasar）。那时天文学家对类星体的了解是，它们是非常遥远的星体，会发出忽强忽弱的不规则的射电信号。长长的数据带上，Bell 在小于一英寸的区域察觉到了她称之为“颈背（scruff）”的奇怪图案，这个信号强劲且规律的，她意识到这异样的背后可能蕴藏着一个新奇的事件。

△ 1967年，利用在剑桥大学的81.5兆赫的望远镜，Bell在数据带上小于一英尺的区域发现了奇怪的“颈背”图案。

这种脉冲信号精准的每隔1.337秒重复出现，而当时并没有什么已知显而易见的天文现象能产生这种规律的快速脉冲。Bell的同事问她的第一个问题就是她是否把线接错了。Bell 回忆说：“那时我已经习惯了这种质疑了，当时我只是一名博士生。另外，我是一个女人。以前在格拉斯哥上本科学位时更糟，在那里，每当一个女生进入课堂时，所有的男生都会吹口哨、拍打桌子、发出嘲笑的嘘声。剑桥更加绅士，但也更加傲慢。我觉得自己就像是一个来自北爱尔兰的骗子，觉得有人会发现我然后把我扔出去。我只能尽可能努力的工作，所以当发生这样的事情时，我会有一个清醒的认知。”

起初 Bell 想：我该不会是发现外星文明了吧！所以一开始，他们玩笑的将这个信号取名为 LGM-1，它是 Little Green Man 这三个单词的首字母缩写，意思是“小绿人”。（在西方文化中，一般“小绿人”来描述外星生物。现在已被正式改名为CP1919或PSR1919 21。）

但外星信号这一想法很快就被击破了，因为他们接二连三的发现这种信号，每个都有自己不同的周期。如果说探测到一个这样的“外星文明”是叹为观止的科学发现，那以这种方式探测到两个三个这样的“外星文明”，基本上就告诉你它根本不是什么外星文明了，除非一大群外星人从宇宙的不同地方向我们发送信号。Bell 后来回忆说：“当时我们并没有真的相信这是来自另一个文明的信号，但显然我们脑海中有过这个想法，而且当时我们并没有证据证明它是完全自然的射电信号。这真是一个有趣的问题，如果真的有人认为自己可能探测到了宇宙里的其他生命，那么该如何负责任地宣布这一结果呢？”

这些奇异的信号必须有一个自然的解释。它必须是来自一种新的恒星，1968年，Bell在《自然》杂志上发表了这一发现[1]。这种星体后来被称为脉冲星（pulsar）。

△ 艺术渲染图：脉冲星和两束喷流。（图片来源：NASA's Goddard Space Flight Center）

当 Hewish 和 Bell 宣布这一发现时，美国天文学家 Thomas Gold 建议说，这些物体可能是快速自转的中子星。 Fritz Zwicky 和 Walter Baade 曾在1934年，也就是发现中子的两年后提出了这种星体的存在。这一预言遵循的原理是，在超新星爆炸之后的遗留物将被压缩成一个具有恒星质量并且几乎完全由中子构成的致密星体。

Gold 认为这种中子星会快速旋转，其强烈的磁场产生的辐射束就像旋转的灯塔一样。最初他的这一理论被科学界忽视，甚至被禁止在第一届脉冲星国际研讨会议上作发表。但是，没过多久，在同年晚一点的时间，一切都发生变化了：在蟹状星云中发现了一个周期为33毫秒的脉冲星。

△ 蟹状星云其实是一个超新星遗迹，那颗超新星曾在1054年被观测到。（图片来源：ESO）

1974年，Hewish 因发现脉冲星而获得了诺贝尔物理学奖。而在这一发现中扮演着主角的 Bell 却没有因此获得什么荣誉。然而，这样的不公在科学史上也不是一两回了。

Bell 还回忆过说，在发表第一篇关于发现脉冲星的文章时，她用的名字是S. J. Bell，因此起初新闻界没有人意识到她是个女人，更不用说是年轻的女人了。当他们发现时，突然就有许多电话记者打电话询问她是黑发还是金发，好像就没有其他颜色被允许似的。她还被问到她有多高，还被摄影师询问是否可以解开上衣的顶部的纽扣……这显然是一段酸涩可笑的回忆，Bell 说：“我可以表现出尖酸刻薄的姿态，但那时我不能那样做。因为实验室需要宣传，而我需要一份用于寻找下一份工作的好的推荐信。”

【 宇宙灯塔 】

现在，天文学家对中子星的研究已经持续了半个世纪。我们对它们的了解越来越多，但仍存有许多未解之谜。它们的确是超新星在爆炸过程中创造出来的，并在创造之初可以每秒旋转近千次。正如 Gold 最先提出的那样，这会产生一个巨大的磁场，其强度可以是地球数万亿倍。这又进而产生电场，能向外加速在中子星磁极的两束强辐射中的电子和其他带电粒子。和地球一样，中子星的磁极方向与其旋转轴并非完全一致，所以光束会像宇宙灯塔一样扫过天空。当脉冲星光束指向我们的方向时，每旋转一次就能让射电天文学家探测到射电脉冲波。

△ 显示了从中子星两极辐射出的脉冲束。（图片来源：NASA/Fermi/Cruz de Wilde）

旋转的磁场就像是中子星旋转的制动器，其产生的脉冲能将损耗的转动能传递到周围的星云，使得旋转速度逐渐降低。蟹状星云内的中子星大约是在一千多年前形成的，现在每秒旋转约30次。通过计算发现，由旋转的中子星失去的转动能的值与照亮这颗星云所需的能量相匹配。脉冲星的寿命有限，在约为100万年的时间里，中子星的旋转周期将增至约1秒钟，到了那时将没有足够的能量为脉冲星提供动力，因而使得这颗脉冲星从我们的视野中消失。

但对于一颗联星系统中的中子星，它可能会从其正常的伴星身上吸积物质。这极有可能在伴星变成红巨星过程中外层脱落时发生。在这个过程中，中子星能够吸收伴星的角动量，从而加速中子星的自转，这会让一颗已经没有动力的中子星死而复生。这被认为是毫秒脉冲星的起源，它们被观察到具有极短的自转周期。目前，已知周期最短的脉冲星是PSR J1748-2446ad，它每秒钟旋转716次。

【 奇异的材料 】

中子星的结构比他们的名字更为复杂。它们的半径只有10到15公里，它们的结构随着由外向内不断变化。中子星的外壳（outer crust）被一层几厘米厚的热等离子大气层包围，外壳是由类似白矮星的物质构成的，包含了简并电子海中的重核，其密度约是水的100万倍。向内移动，密度迅速增加。当抵达内壳（inner crust）时，原子核中的中子的比例随着游离中子的密度急剧增加，直到到达密度为水的约100万亿倍的临界值。

△ 中子星的层层结构。大部分脉冲星都来自高速旋转的中子星。（图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center）

进入外核（outer core）后，能发现它几乎完全由中子和少量质子、电子和μ子构成。目前我们还不知道在中子星最中心形成其内核（inner core）的材料的物理结构。有几种不同的可能性已经被提出，其中包括一些令人难以置信的建议，如被称为奇异重子的紧密堆积的粒子，它们就像是更重的版本的包含奇异夸克的质子和中子；又比如由夸克和反夸克组成的被称为π介子和K介子的玻色-爱因斯坦凝聚态；又或者可能是某种夸克-胶子等离子体，这是目前大型强子对撞机正在探索的一种极端态的物质。

我们认为中子星的质量有一个上限，大约在太阳质量的两到三倍之间。一旦中子星的质量超越这个上限，将没有任何东西可以阻止它继续坍缩，并最终形成一个黑洞。

△ NASA在六月份发射了首个中子星探测器NICER，被安置在国际空间站顶部，试图揭开脉冲星的层层谜题。（图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center）

【 脉冲星的研究 】

50年过去了，科学家从没有停止对脉冲星的探索。现在，已知的脉冲星超过了2000颗，它们是一个多样化的群体。但共同点是它们都是非常致密且快速旋转的中子星。随着它们的旋转，一束束射电波如灯塔般规律地扫过地球。这种信号是如此规则，使脉冲星可以成为非常精确的时钟。不仅如此，对脉冲星的研究也可以帮助我们检验爱因斯坦的广义相对论，以及观测大质量物体是如何通过扭曲周围的时空来产生引力的。

到目前为止，爱因斯坦的理论通过了所有最严苛的考验，但科学家仍然在想方设法的检验它的有效性，因为引力还无法与自然界的其他基本力统一。目前科学家只在引力相对较弱的环境中验证过相对论，比如在太阳系中。而联星系统的发现，可以帮助我们检验当引力效应特别强的时候会发生什么。

科学家也在使用脉冲星信号中的干扰来检测影响时空的引力波。 LIGO实验已经探测到两个黑洞合并时产生的引力波，但脉冲星信号可以让我们看到不同的事情，比如在星系中心的两个超大质量的黑洞合并时会发生什么。

Bell 在一个采访中说：“当我看到第一次看到这个信号时，我无法想象现在所研究的这一切。我很高兴我注意到了那一点‘异样’，并且坚持相信那是真实的。”

参考来源：

[1] https://www.nature.com/nature/journal/v217/n5130/pdf/217709a0.pdf

[2] http://quantumwavepublishing.co.uk/the-ultimate-in-heavy-metal-space-rock/

[3] https://phys.org/news/2017-08-nasa-pulsars-years-chance-discovery.html