中國天眼科普：神秘的脈衝星（簡體書）

張承民

中國科學院國家天文台研究員，中國“天眼”FAST工程前首席科學家南仁東的科學助理，中國科學院大學崗位教授，博士生導師。在大連理工大學獲學士學位和碩士學位，獲香港大學博士學位，在澳大利亞悉尼大學、巴西聖保羅州立大學、台灣新竹清華大學做博士後，在澳大利亞國立大學、德國波茨坦大學和馬普研究所擔任客座研究員。
研究領域涵蓋脈衝星天體物理和廣義相對論，已發表學術論文100餘篇。所授課程曾獲國家教育部科學技術進步二等獎，中國科學院大學優秀課程。在科學出版社和劍橋大學出版社出版科技著作和國際會議文集兩本。

脈衝星最初是由英國劍橋大學的博士研究生喬瑟琳·貝爾女士（Jocelyn Bell）發現的。1967年夏，她在搜索射電望遠鏡天線的數據帶時，注意到一個奇怪的周期信號，流量每隔1.33秒變化一次，後經仔細認證意識到這是一個未知的宇宙信號，來自後來稱為脈衝星的天體。脈衝星是物理學家曾經預言的一種超級緻密的中子星。脈衝星的發現是20世紀重大的天文學事件。經過50多年的研究，我們已經知道脈衝星是一種極端緻密的天體，源於8-25倍太陽質量①的恆星演化到末期，經歷超新星爆發後形成，中心物質坍縮成中子星，約一個太陽質量，其物質密度大約是水密度的千萬億倍。脈衝星的射電輻射來自其磁場強大的極冠區，每當中子星的極冠轉到地球視線方向時，我們便能收到其輻射的脈衝信號。脈衝星好比航海中的燈塔，當其輻射束掃過地球時即可以觀測到一次脈衝。脈衝星半徑約10km，自旋很快，目前在射電波段觀測到的旋轉週期在1.39毫秒～23秒之間。
天文學家注意到，脈衝星在基礎科學研究領域具有極其重要的學術意義。由於脈衝星的大質量和小半徑，其表面引力場非常強，使得脈衝星成為愛因斯坦廣義相對論驗證的絕好場所。根據愛因斯坦的預言，雙星系軌道在引力波輻射下將收縮，而軌道周期為幾小時的雙中子星系統每年將縮短幾百厘米。1974年，美國天文學家赫爾斯和泰勒發現了一對互相繞轉的雙中子星系統，他們利用此系統證實了引力波的預言。由於脈衝星的超強磁場，為研究磁層粒子加速機制、高能輻射、射電輻射過程提供了一個理想的場所。在應用研究方面，脈衝星因其自轉週期的高度穩定性，在時間標準和航天器導航上有著非常重要的應用前景。部分脈衝星自轉週期的長期穩定性已經趕上甚至超過了氫原子鐘。對脈衝星的研究涉及多學科協作，多波段探測，多信使研究，所以其研究已成為當今天體物理學最活躍的領域之一。