宇宙灯塔——FAST脉冲星探索

国家天文台

钱磊

（本文是2018年6月30日在北京天文馆报告的讲稿）

大海航行靠舵手，大海航行也要靠灯塔和星空。我们能认出灯塔，部分是因为灯塔规律变化的亮度。星空经常受天气影响。北极地区经常天阴，上个世纪，前苏联（俄罗斯）在北冰洋的航行很长时间都依赖灯塔。灯塔算是曾经航海的写照。现在，航海除了使用灯塔，也可以借助全球卫星定位系统了。全球卫星定位系统的一个重要组成部分就是每颗卫星上精准的原子钟。依靠准确的时间，就可以根据电磁波传播时间计算出距离和精确的位置（因为光速是常量）。

所以原则上，如果我们能找到另外的精确时钟，这些时钟就也可以用于导航定位。除了人造卫星，难道天上还有其他时钟不成？回答这个问题之前我们先来思考一下时钟的重要特点是什么。大概所有的时钟都是周而复始，周期性是时钟的重要特点，只要能有周期性，这种周期性就可以用来作为时钟。

宇宙中有一些天体的亮度会发生变化，而且这种变化是周期性的，理论上可以当作时钟。不过对于时钟而言，对周期性的精度或者说准确程度是有要求的，周期越准，时钟也就越精确。那么，宇宙中有没有特别准确的周期性变化的天体呢？有，脉冲星就是这样的天体。

脉冲星的两个磁极能发出连续的辐射束。随着脉冲星的转动，辐射束扫过一个环带。当我们位于这个环带中时就能接收到脉冲的脉冲。如果打个比方，脉冲星就像是宇宙中的灯塔。从产生脉冲的原理上来说，脉冲星和灯塔的道理是一样的。脉冲星转一圈所需时间最短可以达到一点几毫秒。

脉冲星是一种什么样的天体呢？大多数人认为，脉冲星是一种中子星，由中子组成的天体。脉冲星个头小，体重大。一颗典型的中子星直径20千米，相当于一座中等城市的大小，但是它的质量可以达到太阳的质量或者更大一些。这意味着中子星物质的密度很大。一块方糖大小的中子星物质的质量就相当于地球上的一座小山了。这是什么概念呢？我们知道通常的物质由原子组成。我们来看看原子的结构。原子中的质量集中在原子核上。原子核本身是很小的，原子中有很多空间，中子星的物质就相当于把原子核都挤到了一起。这种挤压是中子星由大质量恒星形成时发生的。天文学研究表明，中子星是大质量恒星塌缩形成的。

刚才说到脉冲星会转动。其实普通恒星也在转动，比如我们的太阳，但是这种转动通常不快。太阳转一周大约需要25天。脉冲星转得有多快大家刚才可能已经有感觉了，很多脉冲星周期短于一秒，也就是说一秒不到就能转一圈。都是天体，差距咋这么大呢？

为了回答这个问题，我们来看一下怎么能让转动变快。典型的例子是花样滑冰运动员的旋转。由于没有找到合适的动画，我们用这个动画来代替一下。注意到收缩的时候转动就变快了。这是因为要满足角动量守恒，收缩的时候转动惯量变小，角速度就变大了。如果想自己直观感受一下，可以试试这个实验。不过头会很晕，别问我怎么知道的。

总结一下，恒星是转动的，收缩的时候转动会变快。脉冲星是一种中子星。所以现在大家可以理解脉冲星为什么转得那么快了吧？

要说我们人类的眼睛其实对于规律性闪烁的东西应该是敏感的，我们能用肉眼看到脉冲星么？大部分脉冲星应该看不到，因为它们发出的脉冲是射电（也就是无线电）脉冲。

第一颗脉冲星就是用射电天线发现的。发现者贝尔和发现日期都可以从图上看到。我们重点看一下脉冲星的信号。粗看起来和干扰差不多。贝尔是怎么看出来这不是干扰的呢？

我们来看一下地球自转和公转。从图上大家有没有发现远方天体回到地球上方同一位置的时间比一天要短一些。这是一个简单的事实，但是很重要，现在我们还用这个判断我们观测到的信号是不是来自太阳系之外。

我们在地面上用射电天线可以接收到来自宇宙的信号可以说是比较幸运的。可见光和射电是两个透明的大气窗口，在地面上就可以进行光学和射电观测。有一些红外、亚毫米波段得到高空才能观测。

刚才说到，大部分脉冲星发出射电辐射，所以发现脉冲星目前主要靠射电望远镜。射电望远镜由反射面汇集信号，由接收机接收信号。为了实现聚焦，望远镜的反射面做出抛物面。为什么不是球面？因为球面只能聚焦到一条线，不能聚焦到一个点。抛物面可以聚焦到一个点。我们来看个直观的实验。

我们国家已经建成了世界上最大的单口径射电望远镜FAST，全称是500米口径球面射电望远镜。大家可能注意到了，FAST是球面望远镜。刚才不是说抛物面才能聚焦么？是的，所以FAST的反射面的球面是可以变形的。

观测的时候，FAST局部变形为一个口径300米的抛物面。是的，你没有听错，观测的时候FAST的有效口径是300米。所以说今年北京的高考题出错了。不知道熟悉FAST的那些考生会不会纠结。

这是FAST的接收机，左边是超宽带接收机。右边是多波束接收机。最近刚换上了多波束接收机，现在正在测试。

我们看到的脉冲星信号是什么样的呢？我们知道阳光通过棱镜会散开成彩色光带，本质就是不同频率的光在介质中的速度不同。频率越高的光在介质中光速越小，偏折越大。脉冲星发出的射电波通过星际介质也会色散。这张图横坐标是时间，纵坐标是频率。大家有没有发现这里的色散和太阳光的色散有什么不同？

目前FAST已经发现了四十多颗脉冲星了。这是项目的网站。这是发现的脉冲星。

未来我们要做什么呢？我们找到了宇宙中的灯塔，还需要不断研究它们的基本性质，测量它们的基本参数。然后就可以把把它们用于导航了。

今天讲的内容我希望大家能带回去的几点信息是：脉冲星是中子星，大多数人这么认为。搜索脉冲星主要靠射电望远镜。抛物面把电磁波汇聚到一点。FAST已经发现了一批脉冲星。

谢谢大家！