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脈沖星
本詞條是多義詞，共4個(gè)義項(xiàng)
會(huì)周期性發(fā)射脈沖信號(hào)的中子星
脈沖星，就是旋轉(zhuǎn)的中子星。脈沖星是在1967年首次被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，還是一名女研究生的貝爾，發(fā)現(xiàn)狐貍星座有一顆星會(huì)發(fā)出一種周期性的電波。經(jīng)過仔細(xì)分析，科學(xué)家認(rèn)為這是一種未知的天體。因?yàn)檫@種星體不斷地發(fā)出電磁脈沖信號(hào)，就把它命名為脈沖星。
2021年5月20日，國(guó)家天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)天眼FAST望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)中取得的重要進(jìn)展，正式發(fā)布了201顆新脈沖星的發(fā)現(xiàn)。
定義
脈沖星
脈沖星發(fā)射的射電脈沖的周期性非常有規(guī)律。一開始，人們對(duì)此很困惑，甚至曾想到這可能是外星人在向我們發(fā)電報(bào)聯(lián)系。據(jù)說，第一顆脈沖星就曾被叫做“小綠人一號(hào)”。
經(jīng)過幾位天文學(xué)家一年的努力，終于證實(shí)，脈沖星就是正在快速自轉(zhuǎn)的中子星。而且，正是由于它的快速自轉(zhuǎn)而發(fā)出射電脈沖。蟹狀星云脈沖星的X射線/可見光波段合成圖像。
正如地球有磁場(chǎng)一樣，恒星也有磁場(chǎng)；也正如地球在自轉(zhuǎn)一樣，恒星也都在自轉(zhuǎn)著；還跟地球一樣，恒星的磁場(chǎng)方向不一定跟自轉(zhuǎn)軸在同一直線上。這樣，每當(dāng)恒星自轉(zhuǎn)一周，它的磁場(chǎng)就會(huì)在空間劃一個(gè)圓，而且可能掃過地球一次。
那么豈不是所有恒星都能發(fā)脈沖了？其實(shí)不然，要發(fā)出像脈沖星那樣的射電信號(hào)，需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)。而只有體積越小、質(zhì)量越大的恒星，它的磁場(chǎng)才越強(qiáng)。而中子星正是這樣高密度的恒星。
另一方面，當(dāng)恒星體積越大、質(zhì)量越大，它的自轉(zhuǎn)周期就越短。我們很熟悉的地球自轉(zhuǎn)一周要二十四小時(shí)。而脈沖星的自轉(zhuǎn)周期竟然小到0.0014秒！要達(dá)到這個(gè)速度，連白矮星都不行。這同樣說明，只有高速旋轉(zhuǎn)的中子星，才可能扮演脈沖星的角色。
特性
脈沖星發(fā)射射電脈沖
這個(gè)結(jié)論引起了巨大的轟動(dòng)。因?yàn)殡m然早在30年代，中子星就作為假說而被提了出來，但是一直沒有得到證實(shí)，人們也不曾觀測(cè)到中子星的存在。而且因?yàn)槔碚擃A(yù)言的中子星密度大得超出了人們的想象，在當(dāng)時(shí)，人們還普遍對(duì)這個(gè)假說抱懷疑的態(tài)度。
脈沖星
脈沖星是20世紀(jì)60年代天文的四大發(fā)現(xiàn)之一。至今，脈沖星已被我們找到了不少于1620多顆，并且已得知它們就是高速自轉(zhuǎn)著的中子星。
脈沖星有個(gè)奇異的特性——短而穩(wěn)定的脈沖周期。所謂脈沖就是像人的脈搏一樣，一下一下出現(xiàn)短促的無線電訊號(hào)，如貝爾發(fā)現(xiàn)的第一顆脈沖星，每?jī)擅}沖間隔時(shí)間是1.337秒，其他脈沖還有短到0.0014秒（編號(hào)為PSR-J1748-2446）的，最長(zhǎng)的也不過11.765735秒（編號(hào)為PSR-J1841-0456）。那么，這樣有規(guī)則的脈沖究竟是怎樣產(chǎn)生的呢？
天文學(xué)家已經(jīng)探測(cè)、研究得出結(jié)論，脈沖的形成是由于脈沖星的高速自轉(zhuǎn)。那為什么自轉(zhuǎn)能形成脈沖呢？原理就像我們乘坐輪船在海里航行，看到過的燈塔一樣。設(shè)想一座燈塔總是亮著且在不停地有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，燈塔每轉(zhuǎn)一圈，由它窗口射出的燈光就射到我們的船上一次。不斷旋轉(zhuǎn)，在我們看來，燈塔的光就連續(xù)地一明一滅。脈沖星也是一樣，當(dāng)它每自轉(zhuǎn)一周，我們就接收到一次它輻射的電磁波，于是就形成一斷一續(xù)的脈沖。脈沖這種現(xiàn)象，也就叫“燈塔效應(yīng)”。脈沖的周期其實(shí)就是脈沖星的自轉(zhuǎn)周期。
脈沖星
中子星的輻射從兩個(gè)“窗口”出來后，在空中傳播，形成兩個(gè)圓錐形的輻射束。若地球剛好在這束輻射的方向上，我們就能接收到輻射，且每轉(zhuǎn)一圈，這束輻射就掃過地球一次，也就形成我們接收到的有規(guī)則的脈沖信號(hào)。
燈塔模型是現(xiàn)在最為流行的脈沖星模型。另一種磁場(chǎng)震蕩模型還沒有被普遍接受。
脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，但并不是所有的中子星都是脈沖星。因?yàn)楫?dāng)中子星的輻射束不掃過地球時(shí)，我們就接收不到脈沖信號(hào)，此時(shí)中子星就不表現(xiàn)為脈沖星了。
脈沖星的一般符號(hào)是PSR。例如，第一個(gè)脈沖星就記為PSR1919+21。1919表示這個(gè)脈沖星的赤經(jīng)是19小時(shí)19分;+21表示脈沖星的赤緯是北緯21度。
雙脈沖星PSRJ0737-3039A/B的發(fā)現(xiàn)，讓人們欣喜若狂。它是由兩個(gè)脈沖星形成的雙星系統(tǒng)。能夠發(fā)現(xiàn)雙脈沖星系統(tǒng)，確實(shí)是非常幸運(yùn)的事情。對(duì)PSRJ0737-3039A進(jìn)行計(jì)算以后，科學(xué)家預(yù)言它的脈沖輪廓形狀會(huì)發(fā)生較快的演化，甚至預(yù)言在2020年左右，它的光束會(huì)由于軸線進(jìn)動(dòng)而從我們的視線中消失，但是，仔細(xì)的觀測(cè)結(jié)果顯示，預(yù)期的脈沖輪廓形狀根本就沒有發(fā)生變化，這對(duì)科學(xué)家的打擊可是不小。預(yù)言的失敗讓我們感到，脈沖星的燈塔模型似乎存在著問題。
脈沖原因
盡管還沒有十分有力的證據(jù)，但是全世界的脈沖星專家都相信，脈沖星并非或明或暗地閃爍發(fā)光，而是發(fā)射出恒定的能量流。只是這一能量就像手電筒的光線那樣匯聚成一束非常窄的光束，從星體的磁極發(fā)射出來。中子星的磁軸與旋轉(zhuǎn)軸之間成一定角度（這與地球的磁北極地理北極位置略有不同一樣）。星體旋轉(zhuǎn)時(shí)，這一光束就象燈塔的光束或救護(hù)車警燈一樣，掃過太空。只有當(dāng)此光束直接照射到地球時(shí)，我們才能用某些望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到脈沖星的信號(hào)。這樣一來，恒流的光束就變成了脈沖光。
幾乎所有的專家都相信上述這種燈塔模型。但是也有“離經(jīng)叛道”的不同意見被提了出來。新的觀點(diǎn)認(rèn)為脈沖星的發(fā)光不是源自它的磁極，而是來自它的周圍。同時(shí)認(rèn)為，脈沖星發(fā)出脈沖光是因?yàn)樗拇艌?chǎng)在高速地翻轉(zhuǎn)振蕩，激變的磁場(chǎng)造成星體周圍出現(xiàn)了極高的感生電場(chǎng)。這個(gè)感生電場(chǎng)的峰值出現(xiàn)在磁場(chǎng)過零點(diǎn)附近，并且加速帶電粒子使其發(fā)出同步輻射。這就可以解釋脈沖信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理。
磁場(chǎng)振蕩模型的優(yōu)點(diǎn)在于有太陽(yáng)這個(gè)低頻振蕩的樣板。我們知道，太陽(yáng)磁場(chǎng)的方向每過11年就會(huì)翻轉(zhuǎn)一次，如果太陽(yáng)塌縮成了中子星，它的自轉(zhuǎn)周期可以縮短到秒級(jí)甚至毫秒級(jí)，同時(shí)，它的磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)周期也可能達(dá)到毫秒級(jí)。電磁振蕩模型遇到的問題在于如下疑問：星體的磁場(chǎng)真的能那么快地翻轉(zhuǎn)嗎？當(dāng)然，燈塔模型也有它的問題：磁鐵高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，真的能從磁極發(fā)光嗎？
脈沖信號(hào)的輻射，曾經(jīng)被認(rèn)為是中子星的極端磁場(chǎng)的特有行為。但是后來人們發(fā)現(xiàn)，在某些主序星上，比如超冷星TVLM 513-46546和化學(xué)特殊星CU Virginis，都發(fā)現(xiàn)了非常相似的脈沖輻射，而這些星體的磁場(chǎng)都很低（數(shù)千高斯）。這對(duì)磁場(chǎng)震蕩模型是有利的。因?yàn)榇艌?chǎng)震蕩模型降低了對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求。
發(fā)現(xiàn)
1967年10月，劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的安東尼·休伊什教授的研究生——24歲的喬絲琳·
貝爾檢測(cè)射電望遠(yuǎn)鏡收到的信號(hào)時(shí)無意中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號(hào)，它們的周期十分穩(wěn)定，為1.337秒。起初她以為這是外星人“小綠人（LGM）”發(fā)來的信號(hào)，但在接下來不到半年的時(shí)間里，又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)這樣的脈沖信號(hào)。后來人們確認(rèn)這是一類新的天體，并把它命名為脈沖星(Pulsar，又稱波霎)。脈沖星與類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子一道，并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。安東尼·休伊什教授本人也因脈沖星的發(fā)現(xiàn)而榮獲1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，盡管人們對(duì)貝爾小姐未能獲獎(jiǎng)而頗有微詞。
脈沖星
1997年拍攝的美國(guó)電影《超時(shí)空接觸》（Contact）中女主角破譯了來自外太空的有規(guī)律的信號(hào)，并據(jù)此制成了特殊的機(jī)器。但第一次確定乘坐機(jī)器與外星智慧聯(lián)系的人選時(shí)，卻沒有選她。這段情節(jié)被認(rèn)為是影射了貝爾小姐沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)的事情。
15歲女生發(fā)現(xiàn)新脈沖星
一名西維吉尼亞的高中學(xué)生，使用來自綠灣射電天文望遠(yuǎn)鏡（Robert C. Byrd Green Bank Telescope，簡(jiǎn)寫GBT)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新脈沖星。
Shay Bloxton，15歲，參與了一個(gè)讓學(xué)生分析射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，于2009年10月15日發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能是脈沖星的天體。她和NRAO天文臺(tái)的天文學(xué)家在一個(gè)月后再次觀察了該天體，證實(shí)它確實(shí)是一顆脈沖星。Bloxton表示十分興奮，她在11月份前往綠灣，參加跟蹤觀察。她所參與的項(xiàng)目叫Pulsar Search Collaboratory(PSC)，是美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)和西維吉尼亞大學(xué)的聯(lián)合項(xiàng)目。
科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)脈沖星是在1967年。去年末，另一名來自South Harrison高中的西維吉尼亞學(xué)生，也在參與PSC項(xiàng)目時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類似脈沖星的天體。
2021年5月7日?qǐng)?bào)道，基于“中國(guó)天眼”的觀測(cè)，中國(guó)科研人員首次找到了脈沖星三維速度與自轉(zhuǎn)軸共線的證據(jù)，標(biāo)志著天文學(xué)家開始利用該望遠(yuǎn)鏡深度研究脈沖星。
特征
錐形掃射1968年有人提出脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星。中子星具有強(qiáng)磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子發(fā)出同步輻射，形成與中子星一起轉(zhuǎn)動(dòng)的射電波束。由于中子星的自轉(zhuǎn)軸和磁軸一般并不重合，每當(dāng)射電波束掃過地球時(shí)，就接收到一個(gè)脈沖。
脈沖星
此外在持脈沖星便是中子星的證據(jù)中，其中一個(gè)便是我們?cè)?/span>蟹狀星云（M1；原天關(guān)客星，SN 1054）確實(shí)也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)周期約0.033s的波霎。
脈沖星靠消耗自轉(zhuǎn)能而彌補(bǔ)輻射出去的能量，因而自轉(zhuǎn)會(huì)逐漸放慢。但是這種變慢非常緩慢，以致于
信號(hào)周期的精確度能夠超過原子鐘。而從脈沖星的周期就可以推測(cè)出其年齡的大小，周期越短的脈沖星越年輕。
脈沖星
脈沖星的特征除高速自轉(zhuǎn)外，還具有極強(qiáng)的磁場(chǎng)，電子從磁極射出，輻射具有很強(qiáng)的方向性。由于脈沖星的自轉(zhuǎn)軸和它的磁軸不重合，在自轉(zhuǎn)中，當(dāng)輻射向著觀測(cè)者時(shí)，觀測(cè)者就接收到了脈沖。到1999年，已發(fā)現(xiàn)1000顆脈沖星。
毫秒脈沖星
20世紀(jì)80年代，由發(fā)現(xiàn)了一類所謂的毫秒脈沖星，它們的周期太短了，只有毫秒量級(jí)，之前的儀器雖然能探測(cè)到，但是很難將脈沖分辨出來。研究發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星并不年輕，這就對(duì)傳統(tǒng)的“周期越短越年輕”的理論提出了挑戰(zhàn)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星與密近雙星有關(guān)。
命名規(guī)則
脈沖星的命名由脈沖星英文pulsar的縮寫PSR加上其赤經(jīng)赤緯坐標(biāo)組成。如PSR B1937+21，1937是指該脈沖星位于赤經(jīng)19 37，+21是指其位于赤緯+21°，B意味著赤經(jīng)赤緯值是歸算到歷元1950年的值。此外，J則表示赤經(jīng)赤緯值是歸算到歷元2000年的值。
有關(guān)故事
脈沖星被認(rèn)為是“死亡之星”，是恒星在超新星階段爆發(fā)后的產(chǎn)物。超新星爆發(fā)之后，就只剩下了一個(gè)“核”，僅有幾十公里大小，它的旋轉(zhuǎn)速度很快，有的甚至可以達(dá)到每秒714圈。在旋轉(zhuǎn)過程中，它的磁場(chǎng)會(huì)使它形成強(qiáng)烈的電波向外界輻射，脈沖星就像是宇宙中的燈塔，源源不斷地向外界發(fā)射電磁波，這種電磁波是間歇性的，而且有著很強(qiáng)的規(guī)律性。正是由于其強(qiáng)烈的規(guī)律性，脈沖星被認(rèn)為是宇宙中最精確的時(shí)鐘。
脈沖星的存在是過去人們沒有預(yù)料到的，它的性質(zhì)如此奇特，以至于人們?cè)趯?duì)它的認(rèn)識(shí)過程中產(chǎn)生了很多故事。
發(fā)現(xiàn)脈沖星
脈沖星剛發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，人們以為那是外星人向我們發(fā)射的電磁波，他們?cè)趯で笥钪嬷械闹簟?/span>
1967年，英國(guó)劍橋新建造了射電望遠(yuǎn)鏡，這是一種新型的望遠(yuǎn)鏡，它的作用是觀測(cè)射電輻射受行星際物質(zhì)的影響。整個(gè)裝置不能移動(dòng)，只能依靠各天區(qū)的周日運(yùn)動(dòng)進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)而進(jìn)行逐條掃描。1967年7月，這臺(tái)儀器正式投入使用，接受波長(zhǎng)為3.7米。用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)并擔(dān)任繁重記錄處理的是休伊什的女博士研究生喬斯琳·貝爾。在觀測(cè)的過程中，細(xì)心的貝爾小姐發(fā)現(xiàn)了一系列的奇怪的脈沖，這些脈沖的時(shí)間間距精確的相等。貝爾小姐立刻把這個(gè)消息報(bào)告給她的導(dǎo)師休伊什，休伊什認(rèn)為這是受到了地球上某種電波的影響。但是，第二天，也是同一時(shí)間，也是同一個(gè)天區(qū)，那個(gè)神秘的脈沖信號(hào)再次出現(xiàn)。這一次可以證明，這個(gè)奇怪的信號(hào)不是來自于地球，它確實(shí)是來自于天外。
這是不是外星人向我們發(fā)出的文明信號(hào)呢，新聞媒體對(duì)這個(gè)問題投入了極大的熱情，不久，貝爾又發(fā)現(xiàn)了天空中的另外幾個(gè)這樣的天區(qū)，最后終于證明，這是一種新型的還不被人們認(rèn)識(shí)的天體——脈沖星。1974年，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)，獎(jiǎng)項(xiàng)頒給了休伊什，以獎(jiǎng)勵(lì)他所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了脈沖星。令人遺憾的是，脈沖星的直接發(fā)現(xiàn)者，喬斯琳．貝爾小姐不在獲獎(jiǎng)人員之列。事實(shí)上，在脈沖星的發(fā)現(xiàn)中，起關(guān)鍵作用的應(yīng)該是貝爾小姐的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和極度細(xì)心的觀測(cè)。
脈沖星
在美國(guó)北卡羅來納州，有三名中學(xué)生，他們都是天文發(fā)燒友，經(jīng)常在一起探討天文問題，錢德拉塞卡空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)回的資料引起了他們的興趣，他們發(fā)現(xiàn)在IC443的超新星遺跡有些特別，似乎有一個(gè)點(diǎn)狀的X射線源存在，這表明那里很可能會(huì)有一顆脈沖星。他們把這個(gè)消息報(bào)告給了專業(yè)天文學(xué)家。結(jié)果，這個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了專家的認(rèn)可，麻省理工學(xué)院脈沖星專家布賴恩博士對(duì)這些中學(xué)生的成果評(píng)價(jià)說：“這是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。有關(guān)人員都應(yīng)該對(duì)此成就感到驕傲。”
脈沖星實(shí)在是一種奇異的天體，人們對(duì)它的各種特性還沒有完全了解，很多發(fā)現(xiàn)都是事先沒有預(yù)料到的。隨著人們對(duì)它的了解越來越多，這方面的理論建設(shè)也就會(huì)越來越完善，故事也許不會(huì)再發(fā)生。
那是1967年8月，劍橋射電天文臺(tái)的女研究生貝爾在紛亂的記錄紙帶上察覺到一個(gè)奇怪的“干擾”信號(hào)，經(jīng)多次反復(fù)鉆研，她成功地認(rèn)證：地球每隔1.33秒接收到一個(gè)極其規(guī)則的脈沖。得知這一驚人消息，她的導(dǎo)師休伊什曾懷疑這可能是外星人——“小綠人”——發(fā)出的摩爾斯電碼，他們可能在向地球問候。但是，進(jìn)一步的測(cè)量表明，這個(gè)天體發(fā)出脈沖的頻率精確得令人難以置信，并沒有電碼的明顯豐富信息。接下來，貝爾又找出了另外3個(gè)類似的源，所以排除了外星人信號(hào)，因?yàn)椴豢赡苡腥齻€(gè)“小綠人”在不同方向、同時(shí)向地球發(fā)射穩(wěn)定頻率信號(hào)。再經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)研究，1968年2月，貝爾和休伊什聯(lián)名在英國(guó)《自然》雜志上報(bào)告了新型天體——脈沖星的發(fā)現(xiàn)，并認(rèn)為脈沖星就是物理學(xué)家預(yù)言的超級(jí)致密的、接近黑洞的奇異天體，其半徑大約10公里，其密度相當(dāng)于將整個(gè)太陽(yáng)壓縮到北京市區(qū)的范圍，因此具有超強(qiáng)的引力場(chǎng)。乒乓球大小的脈沖星物質(zhì)相當(dāng)于地球上一座山的重量。這是20世紀(jì)激動(dòng)人心的重大發(fā)現(xiàn)，為人類探索自然開辟了新的領(lǐng)域，而且對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，成為上世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。
然而，榮譽(yù)出現(xiàn)了歸屬爭(zhēng)議。1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠只戴在導(dǎo)師休伊什的頭上，完全忽略了學(xué)生貝爾的貢獻(xiàn)，輿論一片嘩然。英國(guó)著名天文學(xué)家霍伊爾爵士在倫敦《泰晤士報(bào)》發(fā)表談話，他認(rèn)為，貝爾應(yīng)同休伊什共享諾貝爾獎(jiǎng)，并對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)授獎(jiǎng)前的調(diào)查工作欠周密提出了批評(píng)，甚至認(rèn)為此事件是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上一樁丑聞、性別歧視案。霍伊爾還認(rèn)為，貝爾的發(fā)現(xiàn)是非常重要的，但她的導(dǎo)師竟把這一發(fā)現(xiàn)扣壓半年，從客觀上講就是一種盜竊。更有學(xué)者指出，“貝爾小姐作出的卓越發(fā)現(xiàn)，讓她的導(dǎo)師休伊什贏得了諾貝爾物理獎(jiǎng)”。著名天文學(xué)家曼徹斯特和泰勒所著《脈沖星》一書的扉頁(yè)上寫道：“獻(xiàn)給喬瑟琳·貝爾，沒有她的聰明和執(zhí)著，我們不能獲得脈沖星的喜悅。”。霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》一書中，也只說脈沖星是貝爾發(fā)現(xiàn)的，不提休伊什。
關(guān)于脈沖星真正發(fā)現(xiàn)者的爭(zhēng)論和對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的質(zhì)疑，已經(jīng)歷了40年。40年后的今天，它再次成為關(guān)注話題。回首往事，作為導(dǎo)師的休伊什獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，無可厚非，但貝爾失去殊榮，卻令人感到惋惜。如果沒有貝爾對(duì)“干擾”信號(hào)一絲不茍的追究，他們可能錯(cuò)過脈沖星的發(fā)現(xiàn)。若把諾貝爾獎(jiǎng)“競(jìng)賽”比作科學(xué)“奧運(yùn)會(huì)”，那么，40年前的“裁判”們顯然吹了“黑哨”，至少是誤判，這玷污了諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)公正權(quán)威性。
貝爾訪問北京期間，筆者與她談起脈沖星的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷和對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)的看法，她說，脈沖星發(fā)現(xiàn)后不久，她就被迫離開了劍橋大學(xué)。沉默稍許，她直言，上世紀(jì)60年代，科學(xué)機(jī)構(gòu)普遍存在忽視學(xué)生貢獻(xiàn)的傾向，特別是女學(xué)生。導(dǎo)師經(jīng)常以“上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)”自居，將學(xué)生成果竊為己有，然后想辦法把學(xué)生一腳踢開。然而，1993年，兩位美國(guó)天文學(xué)家因發(fā)現(xiàn)脈沖星雙星而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)格外精心，邀請(qǐng)貝爾參加了頒獎(jiǎng)儀式，算是一種補(bǔ)償吧。1968年，離開劍橋后，她和休伊什沒有再合作，直到上世紀(jì)80年代，他們才在一次國(guó)際會(huì)議上相見，并握手言和。脈沖星發(fā)現(xiàn)以來，除了諾貝爾獎(jiǎng)，她榮獲了十幾項(xiàng)世界級(jí)科學(xué)獎(jiǎng)，并成為科學(xué)大使。
最愚蠢的一腳
就在貝爾小姐發(fā)現(xiàn)射電脈沖之前，有位物理學(xué)家也把他的射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了太空，他觀測(cè)的位置是獵戶座的一個(gè)脈沖星，他發(fā)現(xiàn)自動(dòng)記錄儀在發(fā)生著顫抖，這種顫抖是有一定規(guī)律可循的，但是他并沒有留意這種情況，他以為自己的設(shè)備出了什么毛病，于是，他對(duì)著儀器輕輕地踢了一腳，儀器的顫抖消失了，他就是這樣與發(fā)現(xiàn)脈沖星的桂冠擦肩而過，與他一起擦肩而過的，還有一筆諾貝爾獎(jiǎng)金。
這最愚蠢的一腳，使他終身難忘，后悔不已。他向貝爾小姐講述了自己的故事。但他卻不愿意透露自己的身份。所以直到今天，也沒有人知道這位射電天文學(xué)家是誰(shuí)。
搖擺舞
雖然脈沖星不是外星人發(fā)射的信號(hào)，但是人們依然對(duì)外星人極感興趣，人們認(rèn)為，如果有外星人的話，他們應(yīng)該在一顆行星上，于是，尋找太陽(yáng)系以外的行星的工作就從來沒有停止過，許多人在這條道路上艱難的向前摸索著，他們被稱為獵星人。第一個(gè)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系以外行星的不是這些獵星人，而是一位研究脈沖星的科學(xué)家。
安德魯·林恩（也有人譯作萊恩）是全球發(fā)現(xiàn)脈沖星最多的人。林恩發(fā)現(xiàn)了一類奇怪的脈沖星，其脈沖總是會(huì)早到或晚到地球幾毫秒，這種情況每半年就出現(xiàn)一次，仿佛是脈沖星一會(huì)兒朝著我們而來，一會(huì)兒又離開我們而去，脈沖星好像是在跳搖擺舞。他把自己的這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了著名的科學(xué)雜志《自然》上面，結(jié)果立即震驚了學(xué)術(shù)界。真是令人難以置信，林恩在偶然間發(fā)現(xiàn)了脈沖星被行星引力牽引在跳搖擺舞，這種搖擺的證據(jù)表明，在這顆脈沖星的周圍，有行星圍繞著它運(yùn)行。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓那些獵星人極感興趣。
就在安德魯·林恩即將在美國(guó)天文學(xué)年會(huì)上發(fā)言前夕，為了充分準(zhǔn)備他的研究資料，他開始重新檢查并修正有關(guān)數(shù)據(jù)，但是這個(gè)時(shí)候，他卻突然發(fā)現(xiàn)自己犯了一個(gè)錯(cuò)誤：他所發(fā)現(xiàn)的“搖擺”，其實(shí)只是地球自身在環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的“搖擺”。由于電腦出錯(cuò)，先前未能考慮到這一因素，所以才出現(xiàn)了脈沖星“搖擺”的錯(cuò)誤結(jié)論。林恩一下子呆了，他開始為自己的愚蠢后悔不已，最后，他終于作出了痛苦的選擇，必須公開承認(rèn)這一重大失誤。
在美國(guó)天文學(xué)年會(huì)上，面對(duì)500位正期待著與他分享成功喜悅的同行們，林恩認(rèn)錯(cuò)了，他說：“很不幸，這是一個(gè)錯(cuò)誤。”但是，讓他沒有料到的是，500位聽眾竟然全體起立，為林恩的誠(chéng)實(shí)熱烈鼓掌。
行星
也就是在這一天，也就是在這次會(huì)議上，還有另一個(gè)人，也準(zhǔn)備了相似的發(fā)言，他也是一位脈沖星觀測(cè)者，他的名字叫做亞歷克斯·沃爾茲坎。
但與林恩不同的是，他的證據(jù)確確實(shí)實(shí)地表明，有一顆脈沖星不僅只被一顆行星所環(huán)繞，而是具有一整套行星系統(tǒng)！發(fā)言之前，沃爾茲坎有些忐忑不安，因?yàn)榱侄鞯恼J(rèn)錯(cuò)無疑更加強(qiáng)化了一種根深蒂固的觀念；“脈沖星不可能有行星環(huán)繞”。不過這一次，事實(shí)證明沃爾茲坎是對(duì)的，他不僅發(fā)現(xiàn)了脈沖星的“搖擺”，而且計(jì)算出有3顆行星在圍繞這顆脈沖星運(yùn)行，并且這些行星每200天就相會(huì)一次，每一次其中兩顆較大的行星都會(huì)相互影響對(duì)方，這樣就使它們的軌道發(fā)生一些微妙的改變。正是這些改變，使他發(fā)現(xiàn)了這顆脈沖星擁有行星的秘密。
脈沖星的行星就是這樣被發(fā)現(xiàn)了，而且它還是一個(gè)完整的行星系統(tǒng)，但是這個(gè)時(shí)候，那些獵星人連一個(gè)太陽(yáng)系以外的行星也沒有找到，這樣的發(fā)現(xiàn)讓獵星人感到十分困惑，因?yàn)槊}沖星具有行星，這是天文學(xué)家過去沒有想到的。脈沖星是爆發(fā)過的中子星，他怎么可能會(huì)有行星呢？
第一個(gè)日外行星系統(tǒng)就是這樣被發(fā)現(xiàn)了，由于它不符合現(xiàn)代的天文學(xué)理論，這個(gè)發(fā)現(xiàn)總是讓人感到有些意外。
脈沖雙星
脈沖星擁有行星的發(fā)現(xiàn)雖然看起來顯得意外，在這方面還有更加意外的發(fā)現(xiàn)，那就是脈沖雙星。
赫爾斯是個(gè)研究生，他被當(dāng)作泰勒的助手派往波多黎各的阿雷西博，用大射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)脈沖星，那是當(dāng)時(shí)最好的射電望遠(yuǎn)鏡，也許正是使用了這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的原因，他發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的電波，這個(gè)時(shí)候距離第一顆脈沖星的發(fā)現(xiàn)僅僅過了七年，人們對(duì)脈沖星的了解還很膚淺，當(dāng)時(shí)赫爾斯還不能立刻確信他所看到的周期變化就是事實(shí)，經(jīng)過反復(fù)觀測(cè)后，他才確定該系統(tǒng)是雙體。他把這個(gè)消息電告泰勒，泰勒立刻趕往阿雷西博，他們進(jìn)一步研究后認(rèn)為這是一個(gè)脈沖雙星，并且一起確定了雙星的周期和兩顆天體之間的距離。
于是，第一顆脈沖雙星就是這樣被發(fā)現(xiàn)了，這個(gè)發(fā)現(xiàn)在1993年被授予諾貝爾獎(jiǎng)，這樣有關(guān)脈沖星的發(fā)現(xiàn)就有了兩項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。
雙脈沖星
2003年12月，Nature上的一篇研究報(bào)告宣布發(fā)現(xiàn)了脈沖星PSR J0737-3039，與看起來像是一顆中子星的恒星成對(duì)出現(xiàn)。一個(gè)月后，當(dāng)來自澳大利亞Parkes天文望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)被重新分析時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)該中子星實(shí)際上也是另一顆脈沖星。所以這是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星體系，名稱是PSR J0737-3039 A/B。
脈沖雙星與雙脈沖星
脈沖雙星與雙脈沖星是有區(qū)別的。在脈沖雙星系統(tǒng)中，一個(gè)脈沖星與另外一個(gè)非脈沖星（可以是中子星、白矮星、甚至是普通的主序星）相伴。在雙脈沖星系統(tǒng)中，必須是兩個(gè)脈沖星相伴。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星系統(tǒng)已經(jīng)有120個(gè)，而發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星系統(tǒng)只有一個(gè)PSRJ0737-3039A/B。
研究意義
由于脈沖星是在蹋縮的超新星的殘骸中發(fā)現(xiàn)的，它們有助于我們了解星體蹋縮時(shí)發(fā)生了什么情況。還可通過對(duì)它們的研究揭示宇宙誕生和演變的奧秘。而且，隨著時(shí)間的推移，脈沖星的行為方式也會(huì)發(fā)生多種多樣的變化。
每顆脈沖星的周期并非恒定如一。我們能探測(cè)到的是中子星的旋轉(zhuǎn)能（電磁輻射的來源）。每當(dāng)脈沖星發(fā)射電磁輻射后，它就會(huì)失去一部分旋轉(zhuǎn)能，且轉(zhuǎn)速下降。通過月復(fù)一月，年復(fù)一年地測(cè)量它們的旋轉(zhuǎn)周期，我們可以精確地推斷出它們的轉(zhuǎn)速降低了多少、在演變過程中能量損失了多少，甚至還能夠推斷出在因轉(zhuǎn)速太低而無法發(fā)光之前，它們還能生存多長(zhǎng)時(shí)間。
事實(shí)還證明，每顆脈沖星都有與眾不同之處。有些亮度極高；有些會(huì)發(fā)生星震，頃刻間使轉(zhuǎn)速陡增；有些在雙星軌道上有伴星；還有數(shù)十顆脈沖星轉(zhuǎn)速奇快（高達(dá)每秒鐘一千次）。每次新發(fā)現(xiàn)都會(huì)帶來一些新的、珍奇的資料，科學(xué)家可以利用這些資料幫助我們了解宇宙。
發(fā)現(xiàn)者
喬斯林·貝爾·博內(nèi)爾與1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)無緣
博內(nèi)爾是安東尼·休伊什（Antony Hewish）的研究生，正是她首次發(fā)現(xiàn)了脈沖星。1968年，她和休伊什聯(lián)名在《自然》雜志上公布了這一發(fā)現(xiàn)。1973年，她們又共同得到了美國(guó)富蘭克林管理研究院頒發(fā)的邁克爾遜獎(jiǎng)?wù)隆＿z憾的是，就在1974年，當(dāng)諾貝爾獎(jiǎng)第一次授予天文學(xué)家時(shí)，博內(nèi)爾的導(dǎo)師休伊什以及同事馬丁·賴爾都榜上有名，但她自己卻被拒在諾貝爾的殿堂之外。許多天文學(xué)家對(duì)此表示了憤怒，但也有人認(rèn)為博內(nèi)爾僅僅是做了收集數(shù)據(jù)的工作，而休伊什對(duì)數(shù)據(jù)的解釋才是關(guān)鍵。博內(nèi)爾從來沒有去爭(zhēng)論自己的落選，但絕大多數(shù)的報(bào)告都顯示，她所做的絕非僅僅是進(jìn)行早期的觀察。
瘋狂脈沖星
脈沖星
這個(gè)雙星系統(tǒng)由一顆脈沖星和一顆質(zhì)量為30倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星構(gòu)成，是典型的大質(zhì)量恒星與脈沖星的系統(tǒng)，被命名為PSR B1259-63/LS 2883，簡(jiǎn)稱B1259。脈沖星可發(fā)出非常規(guī)律的脈沖信號(hào)，每秒旋轉(zhuǎn)20次，同時(shí)有一個(gè)高橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，快速旋轉(zhuǎn)脈沖星的強(qiáng)大磁場(chǎng)與高能粒子結(jié)合后可形成接近光速的脈沖星風(fēng)。來自賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家喬治-帕夫洛夫認(rèn)為，我們目睹了一些特別的東西，當(dāng)脈沖星快速移動(dòng)時(shí)，將系統(tǒng)物質(zhì)盤的材料踢出。
大約每41個(gè)月，脈沖星會(huì)非常接近這顆大質(zhì)量恒星，并穿過恒星周圍的物質(zhì)盤，于是拆解這個(gè)物質(zhì)盤的行動(dòng)由此開始。整個(gè)物質(zhì)盤的體積相當(dāng)于太陽(yáng)系的100倍，跨度非常大，但也相當(dāng)薄，如果將這些物質(zhì)做個(gè)等量類比，大約與地球海洋所有的水相當(dāng)。喬治-華盛頓大學(xué)的另一位科學(xué)家奧列格是本論文的合著者，他認(rèn)為脈沖星風(fēng)正在加快，仿佛有個(gè)加速的推力作用于此。
B1259系統(tǒng)距離我們大約7500光年，錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡在2011年12月和2014年2月已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了觀測(cè)，物質(zhì)飛離系統(tǒng)的平均速度接近光速7%，目前已經(jīng)增加到光速的15%。顯然脈沖星的強(qiáng)大風(fēng)暴讓物質(zhì)的速度增加，最終伴星周圍的物質(zhì)盤會(huì)被整個(gè)剝離。在錢德拉X射線的觀測(cè)計(jì)劃中還將繼續(xù)對(duì)B1259系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，本項(xiàng)研究發(fā)表在2015年6月20日的《天體物理學(xué)》雜志上。
相關(guān)信息
11月10日7時(shí)42分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征十一號(hào)運(yùn)載火箭，成功發(fā)射了脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星。該星主要用于驗(yàn)證脈沖星探測(cè)器性能指標(biāo)和空間環(huán)境適應(yīng)性，積累在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為脈沖星探測(cè)體制驗(yàn)證奠定技術(shù)基礎(chǔ)。脈沖星被稱作宇宙中的燈塔，它們特征明顯、易于辨識(shí)，在宇宙中的定位位置比較精準(zhǔn)。
脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星屬于太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星入軌后，將開展在軌技術(shù)試驗(yàn)，驗(yàn)證星載脈沖星探測(cè)器性能指標(biāo)和空間環(huán)境適應(yīng)性，積累在軌實(shí)測(cè)脈沖星數(shù)據(jù)，為脈沖星探測(cè)及技術(shù)體制驗(yàn)證奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
2021年5月7日，中科院國(guó)家天文臺(tái)消息，被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的FAST望遠(yuǎn)鏡又有了新發(fā)現(xiàn)，基于FAST望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，該臺(tái)李菂、朱煒瑋團(tuán)組的姚菊枚博士首次找到了脈沖星三維速度與自轉(zhuǎn)軸共線的證據(jù)。這一重要發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著天文學(xué)家開始利用FAST深度研究脈沖星。
脈沖星研究獲進(jìn)展
天文研究中，測(cè)量天體到地球的距離通常很困難，但距離是最基本的參數(shù)。脈沖星距離是進(jìn)一步研究脈沖星起源、演化、分布以及輻射特性等所需最基本的參數(shù)。目前已發(fā)現(xiàn)的兩千多顆脈沖星中僅約有十分之一的脈沖星具有測(cè)量距離（不依賴于模型的距離)。近年來，快速射電暴是天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的一類起源未知的、色散量較大的、持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)的射電脈沖。快速射電暴的距離對(duì)分析其起源以及與銀河系的位置關(guān)系（河內(nèi)源或河外源）非常重要。已探測(cè)到的17個(gè)快速射電暴中有紅移測(cè)量的僅為兩個(gè)。
脈沖星發(fā)現(xiàn)不久，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)使用脈沖星測(cè)量距離以及色散量（DM）可構(gòu)建銀河系的電子密度模型。應(yīng)用此模型可估測(cè)所有具有色散量測(cè)量的銀河系內(nèi)脈沖星的距離，且模型距離的精度極大依賴于已知距離測(cè)量的脈沖星數(shù)目、準(zhǔn)確度。最近的銀河系電子密度模型是NE2001模型，此模型主要描述了銀河系內(nèi)自由電子密度的分布。
近期，中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)博士生姚菊枚構(gòu)建了新的電子密度模型（簡(jiǎn)稱YMW16）。相對(duì)已有模型，通過近十多年觀測(cè)，YMW16具備以下有利條件：一、具有測(cè)量距離的脈沖星數(shù)目增加了一倍，且銀河系結(jié)構(gòu)參數(shù)精度提高；二、麥哲倫云脈沖星數(shù)目增加，對(duì)麥哲倫云結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)得到提高；三、發(fā)現(xiàn)快速射電暴，研究了星系際介質(zhì)自由電子密度的分布。研究人員緊抓時(shí)機(jī)，提出的YMW16不僅提高了銀河系脈沖星模型距離精度，在95%的置信區(qū)間范圍內(nèi)優(yōu)于NE2001近40%，且是第一個(gè)可用于估測(cè)麥哲倫云脈沖星及快速射電暴距離的模型。姚菊玫在澳大利亞天文臺(tái)教授R. N. Manchester與導(dǎo)師王娜的指導(dǎo)下，完成這項(xiàng)工作。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal，2017, 835, 29）上。
參考資料
[1]
“中國(guó)天眼”又有新發(fā)現(xiàn)！開啟脈沖星深度研究 · 中國(guó)青年網(wǎng)[引用日期2021-05-07]
[2]
中國(guó)天眼FAST新發(fā)現(xiàn)201顆脈沖星_新聞_ · 央視網(wǎng)(cctv.com)[引用日期2021-05-20]
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尚可名片
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作者
