宇宙中最精确的时钟：毫秒脉冲星的发现历程

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。

中子星物质的密度十分惊人，仅仅大约一汤勺的中子星物质，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

脉冲星属于中子星的一类，它们是大质量恒星死亡之后留下的残骸

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

黑洞可能会产生引力波

极端天体

即使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。仅仅大约一汤勺的中子星物质，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外表，引力将会十分强大——比地球外表的引力场高出大约1000亿倍。如果你要站在一颗中子星的外表，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，因为中子星外表的温度大约是100万摄氏度左右。事实上，中子星外表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，这也让中子星外表成为宇宙中最光滑的天体外表之一。

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。即使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外表，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，缠绕的磁场逐渐丧失能量，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。”

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

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。

即使经过数十亿年之后，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。

赫塞尔斯说：“这简直是一个奇迹：在宇宙中竟会存在这样的天体，能够让我们去涉足物理学中一些原本根本无法触及的领域。”

宇宙中最精确的时钟

检验爱因斯坦的理论

这样的领域就包括引力本身。爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空的扭曲，并且在那之后，这一理论预测已经经受住了一次又一次的实践检验。然而在脉冲星附近的超高密度物质以及超强引力场环境下，广义相对论是否仍然有效？要知道唯一能够在密度和引力强度上超越中子星的就只剩下黑洞了。而要想找出这个问题的答案，研究人员就必须对来自脉冲星的信号进行分析。

近期，赫塞尔斯所在的一个研究组发现了一个位于三星系统内的毫秒脉冲星。这个系统中除了这颗脉冲星之外，另外两个成员都是白矮星——同样是恒星爆发衰亡之后的遗骸，与中子星之间的差异就在于形成白矮星的恒星质量不如形成中子星的恒星质量那么大。这种奇异的组合提供了检验广义相对论的一个绝佳机会：等效原理。

等效原理是爱因斯坦广义相对论中的一项核心原则，其可以简单地表述为：引力对于任何人和任何事物都是等效的。或许其中最有名的案例便是1971年美国宇航员戴夫·斯科特(Dave Scott)在月面上利用一把锤子和羽毛进行的一项自由落体实验。实验的结果当然是这两者同时落到月面上，从而证明了月球引力作用对于这两个物体产生的作用是相同的。与之相似的，研究人员想要了解在这一特殊的三星系统内，其中一颗白矮星对脉冲星施加的引力作用是否与另外一颗白矮星对脉冲星施加的引力作用是相同的。目前这项研究工作还尚未开始进行，但他们表示一旦开展，这将是迄今对于等效原理最为精确的一次检验。

当然，到目前为止还没有任何实验结果表明爱因斯坦的理论是错误的。对于相对论最为有力的一项证明来自哈尔斯和泰勒两人发现的脉冲星双星系统，他们的观测进行时人们还尚未发现毫秒脉冲星，但那项观测证实了引力波的真实存在。不过哈尔斯和泰勒所做的那项观测仍然是间接的，他们只是通过对这两颗脉冲星轨道参数的测量，并进而推断出引力波的存在。时至今日，对引力波的直接探测仍然尚未成功。

不过，科学家们正在努力开展这方面的尝试，如在地面上建设了“极光干预引力波观测台”(LIGO)，其设计目标是直接检测宇宙中由于中子星或黑洞相撞时可能产生的引力波信号。这一设施的第一阶段运行在2002年至2010年间进行，但结果是一无所获。但经过大规模升级之后，该设施即将在今年秋季开始第二阶段运行。

与此同时，一个国际合作的引力波探测项目也正在进行，他们将要借助的有力工具正是毫秒脉冲星。哈尔斯参与了这一项目，是该项目欧洲小组的成员，他表示：“基本的想法是将这些毫秒脉冲星充当星系级GPS系统”。当宇宙深处的引力波扫过地球时，地球将会发生轻微晃动，就像是漂浮在水面上的浮标随波上下起伏一样。这样的波动将会影响到脉冲星信号抵达地球的时间。

在过去的几年间，天文学家们一直在致力于升级他们的设备，不断提升对十几颗最佳“太空时钟”的计时精度测定值。他们希望这项研究将很快就能有所发现。因格里德·斯特尔斯(Ingrid Stairs)任职于加拿大不列颠哥伦比亚大学，是该国际项目北美小组的成员。他表示：“在未来5年左右的时间内，我们有足够的理由预期将可以借助这种方法探测到引力波信号。”

不过，斯特尔斯认为LIGO项目有可能在这方面领先于他们。但反过来说，LIGO的设计目标是探测数倍于太阳质量的中子星或黑洞相互合并时产生的引力波信号，而脉冲星方案所要探测的目标则是超大质量黑洞，即质量相当于太阳数百万乃至数十亿倍的超级黑洞之间相互碰撞时产生的引力波信号。因此，斯特尔斯指出：“这两个项目所针对的并非相同的探测目标，因此即使最终LIGO计划真的在我们之前探测到引力波信号，这也并不意味着我们的工作就失去了意义。”

但不管在这场引力波探测的竞赛中最终究竟是哪一方取胜，通过以上这些案例已经充分证明了毫秒脉冲星是我们理解一系列宇宙现象的有力工具。库卡尼表示：“它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。”人类在大约30多年前收到了这份大自然的礼物，即使在当时这个礼物似乎并不显得起眼，但对于现在的我们来说，这无疑是一份珍贵的厚礼。

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