毫秒脉冲星的发现历程：最精确的时钟

　　中子星物质的密度十分惊人，仅仅大约一汤匙的中子星物质，其质量就将超过1万亿公斤，这几乎相当于地球上所有人类体重的总和

　　新浪科技讯 北京时间8月11日消息，据英国广播公司(BBC)网站报道，一开始，希纳·库卡尼(Shri Kulkarni)并没有意识到自己此时正在经历的是什么。

此时正是1982年9月的一个午夜，他正在波多黎各岛上的阿雷西博天文台，利用这里巨大的射电天线开展脉冲星的搜寻工作：这是大质量恒星死亡之后留下的一种拥有极高密度，高速旋转的残骸。

　　在此之前，库卡尼刚刚发现了自己的第一颗脉冲星，这颗脉冲星的自转速度极快——大约每1.5毫秒就自转一周，这在当时比任何已知的天体自转还要快上大约20倍。

　　这一年，库卡尼还只是一名研究生，在他的脑海里，这样高速的自转除了有些令人惊讶之外并没有其他特别的意义。

他想，这只是一颗自转有些快的脉冲星而已。

他打电话给自己的项目导师，已故的加州大学伯克利分校著名天文学家唐·贝克(Don Backer)并报告了相关情况。

多年之后，他回忆起当时通话时的情景：“那是一段漫长的沉默。

”或许是因为贝克教授意识到了这条消息背后的重大意义。

　　很快，贝克教授提醒库卡尼他眼前的这项发现所隐含的意义：这是一个正以每秒641圈的速度高速旋转的天体。

今天的库卡尼已经是美国加州理工学院的一名天文学家，他说：“当时有很多人认为在这样的高速旋转下，脉冲星应该会分崩离析。

　　库卡尼发现的脉冲星PSR B1937+21一直保持着自转速度最快天体的记录直到2006年。

就在这一年，杰森·赫塞尔斯发现了一颗编号为Terzan 5ad的脉冲星，这是一颗非常暗弱的脉冲星，但其自转速度高达每秒716圈。

　　美国天体物理学家罗素·哈尔斯。

他与另一位美国科学家约瑟夫·泰勒一起，在1974年发现了一对正在相互绕转并逐渐彼此接近的脉冲星

　　脉冲星很小，直径一般和一座小型城市相当(大约20公里左右)，而当时的一般观点认为，如果它的自转达到这样的高速，那么强大的离心力将会把它自己撕成碎片。

　　但此次库卡尼的发现用事实打破了这种预言。

这项发现将不仅改变库卡尼的职业生涯，也将彻底改变整个脉冲星科学研究领域。

这颗脉冲星编号为PSR B1937+21，它成为了一类最新划出的类型——毫秒脉冲星中的第一颗成员。

　　这种脉冲星不仅自转速度快的惊人，它们还有一项引人注目的特征，那就是它们自转的周期性非常精确，甚至几乎可以说是宇宙中最精确的时钟!正是借助了这些宇宙时钟，天文学家们才得以解答有关恒星，物质，甚至是时空本身的许多问题。

　　毫秒脉冲星是大自然给与我们的馈赠。

它是一座位于天宇之中，精密的物理学实验室

　　极端天体

　　即便是最普通的脉冲星也非常不可思议。

它们是宇宙中密度最高的天体之一，它们是质量约为太阳8~20倍之间的大质量恒星爆发衰亡之后留下的遗骸。

当这样的大型恒星耗尽它最后的燃料并逐渐走向死亡之时，将会以超新星的方式发生猛烈爆发，在此过程中将其外层气体壳完全剥离。

　　爆发过后残留下来的就是一个密度极高的内核，由于压力太过巨大，这个内核物质中的电子已经被挤压而与原子核中的质子相结合形成中子，这就是所谓中子星。

中子星的密度十分惊人，其相当于将1.2~2倍太阳的质量挤压进一个直径约20公里的球体内。

仅仅大约一汤匙的中子星物质，其质量就将超过1万亿公斤，这几乎相当于地球上所有人类体重的总和。

　　这样惊人的密度意味着在中子星的表面，引力将会十分强大——比地球表面的引力场高出大约1000亿倍。

如果你要站在一颗中子星的表面，你将会立刻被压扁成薄薄的一层“物质层”，其厚度仅有一层原子那么厚，平铺在中子星的地表上。

当然前提还得是你不怕热，因为中子星表面的温度大约是100万摄氏度左右。

事实上，中子星表面的超强重力环境不允许任何高度超过几厘米的地表凸起存在，这也让中子星表面成为宇宙中最光滑的天体表面之一。

　　另外还有中子星的磁场，它们的磁场同样是宇宙中最为强大的。

即便是磁场最弱的中子星，其强度也比地球磁场高出大约1亿倍——这样的强度几乎可以破坏原子结构。

在中子星的两极，强大的磁场加速带电粒子，如正电子和电子，并以束流的方式向太空当中高速喷射出去。

这样的喷流会在射电波段形成信号源，并最终被地球上的射电望远镜所接收到。

　　当然，也正是这样的喷流让这种天体得到了脉冲星的名称。

当一颗中子星高速旋转时，它两端的两束喷流就像宇宙中的灯塔信号一样，扫过太空。

从地球看去，它就像一盏时明时暗，极具周期性的脉冲信号，其中有些甚至可以慢到10秒一次。

　　如果你要站在一颗中子星的表面，你将会立刻被压扁成薄薄的一层“物质层”，其厚度仅有一层原子那么厚，平铺在中子星的地表上

　　美国天体物理学家约瑟夫·泰勒。

由于与罗素·哈尔斯一起利用脉冲星双星观测证实了引力波的存在，这两位物理学家被授予了1993年度的诺贝尔奖

　　但尽管存在自转周期比较长的脉冲星，它们在一开始的自转速度都是非常快的。

这种高速度是从其作为大质量恒星内核开始就继承下来的。

随着恒星燃料逐渐耗尽，其再也无法维持自身的稳定，恒星的核心在自身巨大引力的作用下发生剧烈塌缩。

　　就像滑冰运动员在收起双臂时旋转速度会加快一样，随着自身直径的剧烈收缩，恒星内核的旋转速度急剧加快。

当恒星最终衰亡只剩下作为残骸存在的中子星时，这颗中子星的自转速度可以超过每秒100次。

随着时间推移，缠绕的磁场逐渐丢失能量，中子星的自转速度也就随之逐渐放慢下来。

　　但为何库卡尼所发现的那颗中子星的自转速度会如此之快?在经过认真分析之后，天文学家们意识到，要想要达到这样惊人的自转速度，这颗中子星必定需要得到近旁的另一颗伴星的帮助。

随着这颗伴星逐渐耗尽其燃料，它会发生膨胀，就像所有其他恒星同样会经历的那样——此时它的外层大气会在引力作用下流向脉冲星，并在其周围形成高速旋转的吸积盘结构，就像水池里的水排出时在落水口形成的漩涡那样。

这种旋转的吸积盘将会加速脉冲星的旋转速度。

　　毫秒脉冲星的发现让脉冲星研究领域重新焕发出生机。

自从1967年英国女科学家乔林斯·贝尔发现第一颗脉冲星以来，这一领域已经变得死气沉沉。

该领域的一项里程碑式发现出现在1974年，当时罗素·哈尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)发现了一对正在相互绕转并逐渐彼此接近的脉冲星。

在这一过程中，这两颗脉冲星的能量必定正在不断以引力波的形式发生散失，引力波是时空中的涟漪。

　　这两人进行的测量时迄今人类所获得有关引力波存在的最清晰证据，从而证明了爱因斯坦在其广义相对论中所作出的预言。

1993年，由于在这方面做出的开创性工作，这两位物理学家被授予诺贝尔奖。

库卡尼表示：“那是这个领域的巅峰时期。

但在那之后，这个领域仅剩下的唯一可做的事情似乎就是发现更多的脉冲星而已了。

到了1982年，有一种感觉就是，似乎关于脉冲星的一切都已经被搞清楚了。

　　宇宙实验室

　　直到库卡尼发现首颗毫秒脉冲星，这种死气沉沉的局面才终于被打破。

自那以后，天文学家们又找到了大约300颗属于这一类别的脉冲星。

他们认为仅在银河系中就有超过2万颗毫秒脉冲星，另外还有数量大致相同的常规脉冲星——听上去似乎数量不少，但相比银河系内动辄数以千亿计的恒星数量，这类神秘天体的数量实际上是极其稀少的。

库卡尼发现的脉冲星PSR B1937+21一直保持着自转速度最快天体的记录直到2006年。

就在这一年，与当年发现首颗毫秒脉冲星时的库卡尼一样还是研究生身份的杰森·赫塞尔斯(Jason Hessels)发现了一颗编号为Terzan 5ad的脉冲星，这是一颗非常暗弱的脉冲星，但其自转速度高达每秒716圈。

　　在这样的高速和巨大的质量下，毫秒脉冲星将具备巨大的角动量，因此它们的自转速度将很难慢下来。

这就让它们在漫长的时间里能够一直保持近乎不变的自转周期。

当毫秒脉冲星最早被发现时，它们的自转周期精度几乎可以与地球上最精确的原子钟相媲美。

目前在荷兰阿姆斯特丹大学担任教职的赫塞尔斯表示，时至今日，最新一代的原子钟的计时精度已经超过了脉冲星，但如果放在更长的时间尺度下，比如数十年的时间里去比较，那么毫秒脉冲星的计时精度仍然可以达到与最新的原子钟不相上下的地步。

　　即便经过数十亿年之后，毫秒脉冲星的自转周期也只会延长几个毫秒而已，但由于天文学家们能够精确测定其减速速率，因此他们就可以扣除减速效应的影响并继续将它们用作精确的计时工具。

　　毫秒脉冲星的自转周期精度极高，天文学家们目前对其进行的测量精度已经达到了10亿亿分之一的量级(10的18次方分之一)。

他们对于脉冲星的信号抵达地球的时间预报精度已经达到100纳秒(1纳秒等于10亿分之一秒)的水平。

由于这样的信号极其精确，因此任何最细微的变化都能够揭示在脉冲星周围以及信号在太空中传播过程中所发生的事件。

　　一颗脉冲星示意图

　　在太空中弥漫分布着稀疏的尘埃与气体物质，它们被称作星际介质，这些物质会阻挡和发散来自脉冲星的信号。

通过对脉冲星信号的衰减，强度以及发散程度进行测量，天文学家们能够了解星际介质的性质，而后者在恒星与星系形成以及演化方面都扮演着关键角色。

　　在脉冲星周围是帮助它加速自转的伴星。

科学家们想要了解这颗伴星有多大，它是如何随着时间推移而发生演化的。

比如变化的磁场将如何影响其外形以及轨道性质。

对于这些，脉冲星信号的延迟，调幅以及其他性质的变化都在向天文学家们透露着这颗伴星的诸多性质以及它与脉冲星之间的互动状态。

　　得益于对脉冲星极高精度的测定，天文学家们现在可以察觉脉冲信号中哪怕最细微的变化以及它背后的引力作用。

在1992年，天文学家们在一颗毫秒脉冲星的周围发现了一个行星系统，这是人类发现的第一个太阳系外行星系统。

来自行星的引力影响造成脉冲星发生轻微晃动，从而对其抵达地球的脉冲信号产生极细微的影响。

以库卡尼发现的毫秒脉冲星PSR B1937+21为例，近期对其脉冲信号的精密分析同样显示这颗脉冲星周围可能存在一些小型天体，其大小可能与小行星的大小接近。

　　通过对这类信号在射电波段，有时候甚至是在X射线乃至γ射线波段的观测非常重要，因为这是天文学家们了解和研究奇异的脉冲星系统唯一的的途径。

同时这也是研究脉冲星独特组成与机构状况的唯一途径。

　　从本质上说，脉冲星基本就是一颗巨大的原子核。

一般认为它们可能拥有一层薄薄的大气层，厚度不超过10厘米。

其中的主要成分则是氦，氢和碳，而其最外侧的“地壳”的主要成分则是铁。

而如果你继续向其内部进发，那里的物质密度将变得更高，是几乎完全由中子组成的奇异物质。

当然，这些都只是理论模型得到的结论，根本不可能登陆或钻进一颗脉冲星开展实地考察。

　　然而毫秒脉冲星可以为我们提供线索。

它们发出的脉冲信号让天文学家们可以精确测定它们的轨道并据此定出它们的质量，而这一数据是理论学家们限定并提出新模型和假想理论的基础。

在整个宇宙中，除了这里你找不到其他具备如此高的密度和压力环境的地方。

对于物理学家们而言，脉冲星就是开展极端条件物理实验的天然实验室，甚至可能在这里找到全新的物质形态。