获得300万美元大奖的她 究竟发现了什么星？

　　来源：科学大院

　　9月6日，今年的基础物理学特别突破奖颁给了英国天体物理学家乔瑟琳?贝尔?伯奈尔，以表彰她发现脉冲星、以及过去五十年间在科学界表现出的鼓舞人心的领导力。

　　脉冲星到底是一种什么星？它的发现有何意义？寻找系外行星、探测引力波又跟它有什么关系？

　　脉冲星是一类具有强大磁场且高速自转的中子星。从它磁极发出的辐射随着自转会周期性扫过地球，使得我们观测到短周期脉冲信号。中子星很小，半径只有10公里左右，但其质量却很大，通常有太阳的1.4倍那么重。要改变这么重的物体的运动状态是很难的，所以中子星的自转很稳定。原则上，如果不受其他因素影响，那么我们就能看到脉冲星每隔固定的时间就发出一个脉冲信号。


中子星大小示意图

　　不过，“原则上”的意思就是说：实际上并不是！现实中有许多的因素在影响着脉冲星脉冲信号的时间间隔。这些影响由近及远分别有地球自转、太阳系天体运动（主要是大行星的公转）、星际空间的变化、脉冲星周围可能存在的其他天体等。通过测量脉冲星脉冲到达地球的时间的变化，我们就能测出这些影响，并进而推测影响因素的物理特性。这种观测方式被称为“脉冲星计时”。在寻找行星和探测引力波时，脉冲星计时都发挥着重要的作用。

　　寻找X行星

　　认为太阳系存在未被发现的大行星的传闻流传已久。天文学家用笔算出海王星后，一度认为还存在一个位于海王星轨道之外的大行星。即使在冥王星发现之后，还是有人认为在冥王星之外还有大行星，否则不能很好地解释海王星轨道的变化。这颗行星就是传说中的X行星。虽然目前海王星的轨道问题已经解决，但仍有人根据其他的蛛丝马迹，提出X行星的猜测。在始终未能观测到X行星的当下，我们有什么方法可以推测X行星的存在与否呢？脉冲星计时就能给出证据！

　　上面说到，太阳系中的天体运动会影响脉冲星脉冲的到达时间。直观上的影响，行星的运动会改变太阳系质心位置，相当于太阳系发生了整体的移动，导致地球与脉冲星之间的距离发生改变。如果考虑相对论效应，不同位置的行星能产生不同的引力场，从而改变地球与脉冲星间的距离。对于已知的行星，我们能够计算出它们对脉冲的影响。在消除已知天体的影响之后，剩下的自然就是未知天体的影响。


太阳系主要天体运动示意图

　　2005年，美国普林斯顿大学的研究人员就用脉冲星计时测算过，结论是：在距太阳200天文单位（天文单位为地球与太阳之间的平均距离）之内，不存在木星质量大小的未知天体。如果今后用更高精度的脉冲星计时数据计算，应该能知道距离太阳60个天文单位之内（相当于柯伊伯带之内）有没有地球质量大小的未知天体。

　　寻找系外行星

　　我们能通过脉冲星计时来探测太阳系内有没有未知行星，那能不能探测脉冲星边上有没有行星在围绕着它转呢？当然可以了！其实这更多的是意料之外的结果。我们知道，中子星产生于超新星爆炸。超新星爆炸的能量是十分惊人的。一般认为经历过超新星爆炸之后，恒星周围的行星不太可能还安然无恙。但不管怎么样，脉冲星用事实告诉天文学家，它不仅可以有行星，还可以有好几颗行星！

　　在1990年的时候，波兰天文学家亚历山大?沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）使用阿雷西博望远镜发现了一颗毫秒脉冲星，名为B1257+12。通过对这颗脉冲星的脉冲星计时观测，沃尔兹森惊讶的发现，在去除已知天体的影响后，这颗脉冲星还受到另外的规律性影响，而最为合理的解释是：它有两颗行星！到了1994年，进一步的研究确认这颗脉冲星还有第三颗行星。这三颗行星就是人们最先发现的系外行星。其中最开始发现的两颗行星里，有一颗质量只有0.02倍地球质量，仅比月球稍大。这颗系外行星长期保持着“人类已知的质量最小的系外行星”的称号，直到2012年才被开普勒卫星的新发现打破。


B1257+12及其行星想象图

　　间接探测引力波

　　脉冲星周围的行星都能通过脉冲星计时观测到，那如果脉冲星边上有一颗恒星，岂不是更容易发觉了？早在1975年，当时还是学生的拉塞尔?赫尔斯（Russell Hulse）就利用阿雷西博望远镜发现了首例处于双星系统中的脉冲星。通过脉冲星计时观测，可以知晓这颗脉冲星的伴星也是一颗中子星。只不过这颗中子星的辐射束不扫过地球，所以我们看不到它的脉冲信号。

　　这颗脉冲星和中子星伴星的质量都是1.4倍太阳质量左右。它俩最接近的时候，距离只有1.1倍太阳半径那么近！这样的双星系统会明显地因发射引力波而损失能量，结果就是双星系统的轨道会越来越接近，绕转周期越来越短。通过脉冲星计时观测，人们发现其轨道变化结果很好地符合了相对论的预言。这一工作让赫尔斯和他的导师约瑟夫?泰勒（Joseph Taylor）获得了1993年的诺贝尔物理学奖。


脉冲星及其伴星示意图。绿色网格表示周围引力场。

　　一个更精确的工作是澳大利亚科学家做出来的。2003年，澳大利亚的帕克斯望远镜发现了一个双脉冲星系统，就是相互绕转的两颗中子星的辐射束都扫过地球，即都是脉冲星。这两颗脉冲星之间的距离更近，相对论效应更强。由于引力波辐射导致的能量损耗，让它们之间每天要靠近7毫米。又因为这两颗都是脉冲星，通过脉冲星计时能够对它们的轨道变化做出更为精准的测量，最终得到结论：引力波理论预言的准确度达到99.95%！

　　脉冲星计时阵列直接探测引力波

　　除了上述对双星系统中的脉冲星进行计时观测，从而间接探测引力波之外，我们还能用“脉冲星计时阵列”来直接探测引力波信号。

　　什么叫“脉冲星计时阵列”？

　　其实就是选几颗脉冲星，隔几天做一次脉冲星计时观测。也许有人会问，美国的激光干涉引力波天文台 （LIGO）不是已经探测到引力波，还拿了诺贝尔奖吗？为什么还需要脉冲星计时阵列来探测呢？

　　对于LIGO项目，简单来说，就是在两条相互垂直、长度达4公里的管道内通上激光。在引力波的影响下，这两条管道的长度会发生规律性的变化，导致激光干涉结果发生改变。换言之，通过测量激光干涉结果的变化，我们就可以捕捉引力波。


LIGO原理示意图

　　引力波探测项目远不止LIGO一个。另一个著名的计划是欧洲空间局主导的太空激光干涉仪（LISA）。这组探测器将用3颗卫星排布成边长为250万公里的等边三角形，并互相发射激光。与LIGO原理类似，若通过激光测量出卫星之间距离发生某种规律性变化，就能够捕捉到引力波的信息。中国科学院提出的空间太极计划和中山大学提出的天琴计划，也是类似的空间引力波探测项目。


LISA计划示意图

　　聪明的你也许已经能联想到了，脉冲星计时阵列探测引力波，其实就是把脉冲星当做信号源来测量脉冲星到地球之间距离的变化。如果我们发现多颗脉冲星同时发生某种规律性变化，那么我们就探测到引力波啦！


脉冲星计时阵列示意图。绿色网格代表受引力波影响而抖动的时空。

　　那究竟为啥我们需要脉冲星来探测引力波呢？

　　我们上面提到的LIGO、LISA还有脉冲星计时阵列，它们最大的区别是什么？

　　距离！

　　LIGO管道长度是4公里；LISA计划边长是250万公里；而脉冲星到地球之间的距离，一般要用“千秒差距”作单位。一千秒差距大约等于3亿亿公里（注意，并不是我手抖多打一个亿）。

　　这些大小不一的探测设备，其实是为了探测不同波长的引力波。而不同波长的引力波往往对应着不同的天文事件。比如，最小的LIGO探测的引力波波长最短，可以由双中子星合并、恒星级黑洞合并产生；LISA探测的引力波波长长一些，可能来自银河系内黑洞合并，或是超大质量黑洞与致密天体相互作用；脉冲星计时阵列观测的引力波波长更长，可以窥探星系中心黑洞合并事件。这样看来，用脉冲星计时阵列来探测引力波还是很有必要的。

　　使用脉冲星计时阵列探测引力波，需要经年累月地对多颗周期稳定的脉冲星进行观测，而直到目前还没能探测到引力波信号。对更多的脉冲星，做更高精度的观测，将使我们更容易探测到引力波。FAST作为世界最大的单口径射电望远镜，有望能够找到更多能够用来探测引力波的脉冲星。同时，我们将来也能用FAST对脉冲星计时阵列中的脉冲星做更好的观测。未来，FAST势必能够帮助科学家更好地探测引力波。此外，我国科学家一直在参与的国际共建的平方公里阵（SKA）和中国科学院新疆天文台提出的奇台110米射电望远镜（QTT）项目都在有条不紊地推进着。这些强大的设备，日后定能助力引力波的探测。

　　结语

　　利用脉冲星计时观测，我们小到可以发现比月亮略重的行星，大到可以探测两个星系中心黑洞合并事件。阿雷西博望远镜通过对脉冲星的计时观测间接探测到引力波，获得诺贝尔奖。兴许等到用脉冲星计时阵列直接测到引力波的那天，还能再拿一个诺贝尔奖呢！