脈衝星

脈衝星（Pulsar），又稱波霎，是中子星的一種，能夠週期性發射脈衝信號，直徑大多為10千米左右，自轉極快。 ^[1] 

人們最早認為恆星是永遠不變的。而大多數恆星的變化過程是如此的漫長，人們也根本覺察不到。然而，並不是所有的恆星都那麼平靜。後來人們發現，有些恆星也很“調皮”，變化多端。於是，就給那些喜歡變化的恆星起了個專門的名字，叫“變星”。

脈衝星發射的射電脈衝的週期性非常有規律。一開始，人們對此很困惑，甚至曾想到這可能是外星人在向我們發電報聯繫。據説，第一顆脈衝星就曾被叫做“小綠人一號”。

經過幾位天文學家一年的努力，終於證實，脈衝星就是正在快速自轉的中子星。而且，正是由於它的快速自轉而發出射電脈衝。

正如地球有磁場一樣，恆星也有磁場；也正如地球在自轉一樣，恆星也都在自轉着；還跟地球一樣，恆星的磁場方向不一定跟自轉軸在同一直線上。這樣，每當恆星自轉一週，它的磁場就會在空間劃一個圓，而且可能掃過地球一次。那麼豈不是所有恆星都能發脈衝了？其實不然，要發出像脈衝星那樣的射電信號，需要很強的磁場。而只有體積越小、質量越大的恆星，它的磁場才越強。而中子星正是這樣高密度的恆星。

另一方面，當恆星體積越小、質量越大，它的自轉週期就越短。我們很熟悉的地球自轉一週要二十四小時。而脈衝星的自轉週期竟然小到0.0014秒！要達到這個速度，連白矮星都不行。這同樣説明，只有高速旋轉的中子星，才可能扮演脈衝星的角色。 ^[1] 

脈衝星發射射電脈衝

這個結論引起了巨大的轟動。因為雖然早在30年代，中子星就作為假説而被提了出來，但是一直沒有得到證實，人們也不曾觀測到中子星的存在。而且因為理論預言的中子星密度大得超出了人們的想象，在當時，人們還普遍對這個假説抱懷疑的態度。

直到脈衝星被發現後，經過計算，它的脈衝強度和頻率只有像中子星那樣體積小、密度大、質量大的星體才能達到。這樣，中子星才真正由假説成為事實。這真是上世紀天文學上的一件大事。因此，脈衝星的發現，被稱為二十世紀六十年代的四大天文學重要發現之一。

脈衝星是20世紀60年代天文的四大發現之一。至今，脈衝星已被我們找到了不少於1620多顆，並且已得知它們就是高速自轉着的中子星。

脈衝星有個奇異的特性——短而穩定的脈衝週期。所謂脈衝就是像人的脈搏一樣，一下一下出現短促的無線電訊號，如貝爾發現的第一顆脈衝星，每兩脈衝間隔時間是1.337秒，其他脈衝還有短到0.0014秒（編號為PSR-J1748-2446）的，最長的也不過11.765735秒（編號為PSR-J1841-0456）。那麼，這樣有規則的脈衝究竟是怎樣產生的呢？

天文學家已經探測、研究得出結論，脈衝的形成是由於脈衝星的高速自轉。那為什麼自轉能形成脈衝呢？原理就像我們乘坐輪船在海里航行，看到過的燈塔一樣。設想一座燈塔總是亮着且在不停地有規則運動，燈塔每轉一圈，由它窗口射出的燈光就射到我們的船上一次。不斷旋轉，在我們看來，燈塔的光就連續地一明一滅。脈衝星也是一樣，當它每自轉一週，我們就接收到一次它輻射的電磁波，於是就形成一斷一續的脈衝。

脈衝這種現象，也就叫“燈塔效應”。脈衝的週期其實就是脈衝星的自轉週期。然而燈塔的光只能從窗口射出來，是不是説脈衝星也只能從某個“窗口”射出來呢？正是這樣，脈衝星就是中子星，而中子星與其他星體（如太陽）發光不一樣，太陽表面到處發亮，中子星則只有兩個相對着的小區域才能輻射出來，其他地方輻射是跑不出來的。即是説中子星表面只有兩個亮斑，別處都是暗的。這是什麼原因呢？原來，中子星本身存在着極大的磁場，強磁場把輻射封閉起來，使中子星輻射只能沿着磁軸方向，從兩個磁極區出來，這兩磁極區就是中子星的“窗口”。

中子星的輻射從兩個“窗口”出來後，在空中傳播，形成兩個圓錐形的輻射束。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則的脈衝信號。燈塔模型是現在最為流行的脈衝星模型。另一種磁場震盪模型還沒有被普遍接受。

脈衝星是高速自轉的中子星，但並不是所有的中子星都是脈衝星。因為當中子星的輻射束不掃過地球時，我們就接收不到脈衝信號，此時中子星就不表現為脈衝星了。

脈衝星的一般符號是PSR。例如，第一個脈衝星就記為PSR1919+21。1919表示這個脈衝星的赤經是19小時19分;+21表示脈衝星的赤緯是北緯21度。

雙脈衝星PSRJ0737-3039A/B的發現，讓人們欣喜若狂。它是由兩個脈衝星形成的雙星系統。能夠發現雙脈衝星系統，確實是非常幸運的事情。對PSRJ0737-3039A進行計算以後，科學家預言它的脈衝輪廓形狀會發生較快的演化，甚至預言在2020年左右，它的光束會由於軸線進動而從我們的視線中消失，但是，仔細的觀測結果顯示，預期的脈衝輪廓形狀根本就沒有發生變化，這對科學家的打擊可是不小。預言的失敗讓我們感到，脈衝星的燈塔模型似乎存在着問題。

錐形掃射1968年有人提出脈衝星是快速旋轉的中子星。中子星具有強磁場，運動的帶電粒子發出同步輻射，形成與中子星一起轉動的射電波束。由於中子星的自轉軸和磁軸一般並不重合，每當射電波束掃過地球時，就接收到一個脈衝。

恆星在演化末期，缺乏繼續燃燒所需要的核反應原料，內部輻射壓降低，由於其自身的引力作用逐漸坍縮。質量不夠大(約數倍太陽質量)的恆星坍縮後依靠電子簡併壓力與引力相抗衡，成為白矮星，而在質量比這還大的恆星裏面，電子被壓入原子核，形成中子，這時候恆星依靠中子的簡併壓與引力保持平衡，這就是中子星。

典型中子星的半徑只有幾公里到十幾公里，質量卻在1-2倍太陽質量之間，因此其密度可以達到每立方厘米上億噸。由於恆星在坍縮的時候角動量守恆，坍縮成半徑很小的中子星後自轉速度往往非常快。又因為恆星磁場的磁軸與自轉軸通常不平行，有的夾角甚至達到90度，而電磁波只能從磁極的位置發射出來，形成圓錐形的輻射區。

此外在持脈衝星便是中子星的證據中，其中一個便是我們在蟹狀星雲（M1；原天關客星，SN 1054）確實也發現了一個週期約0.033s的波霎。

脈衝星靠消耗自轉能而彌補輻射出去的能量，因而自轉會逐漸放慢。但是這種變慢非常緩慢，以致於信號週期的精確度能夠超過原子鐘。而從脈衝星的週期就可以推測出其年齡的大小，週期越短的脈衝星越年輕。

脈衝星的特徵除高速自轉外，還具有極強的磁場，電子從磁極射出，輻射具有很強的方向性。由於脈衝星的自轉軸和它的磁軸不重合，在自轉中，當輻射向着觀測者時，觀測者就接收到了脈衝。到1999年，已發現1000顆脈衝星。

毫秒脈衝星（Millisecond pulsar）

20世紀80年代，由發現了一類所謂的毫秒脈衝星，它們的週期太短了，只有毫秒量級，之前的儀器雖然能探測到，但是很難將脈衝分辨出來。研究發現毫秒脈衝星並不年輕，這就對傳統的“週期越短越年輕”的理論提出了挑戰。進一步的研究發現毫秒脈衝星與密近雙星有關。

著名的脈衝星

人類發現的第一顆脈衝星：PSR1919+21，也就是上文貝爾小姐發現的那顆脈衝星，位於狐狸座方向，週期為1.33730119227秒。

人類發現的第一顆脈衝雙星：PSR B1913+16

人類發現的第一顆毫秒脈衝星：PSR B1937+21

人類發現的第一顆帶有行星系統的脈衝星：PSR B1257+12

人類發現的第一顆雙脈衝星系統：PSRJ0737－3039

儘管還沒有十分有力的證據，但是全世界的脈衝星專家都相信，脈衝星並非或明或暗地閃爍發光，而是發射出恆定的能量流。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，從星體的磁極發射出來。中子星的磁軸與旋轉軸之間成一定角度（這與地球的磁北極地理北極位置略有不同一樣）。星體旋轉時，這一光束就象燈塔的光束或救護車警燈一樣，掃過太空。只有當此光束直接照射到地球時，我們才能用某些望遠鏡探測到脈衝星的信號。這樣一來，恆流的光束就變成了脈衝光。 ^[1] 

幾乎所有的專家都相信上述這種燈塔模型。但是也有“離經叛道”的不同意見被提了出來。新的觀點認為脈衝星的發光不是源自它的磁極，而是來自它的周圍。同時認為，脈衝星發出脈衝光是因為它的磁場在高速地翻轉振盪，激變的磁場造成星體周圍出現了極高的感生電場。這個感生電場的峯值出現在磁場過零點附近，並且加速帶電粒子使其發出同步輻射。這就可以解釋脈衝信號的產生機理。

磁場振盪模型的優點在於有太陽這個低頻振盪的樣板。我們知道，太陽磁場的方向每過11年就會翻轉一次，如果太陽塌縮成了中子星，它的自轉週期可以縮短到秒級甚至毫秒級，同時，它的磁場翻轉週期也可能達到毫秒級。電磁振盪模型遇到的問題在於如下疑問：星體的磁場真的能那麼快地翻轉嗎？當然，燈塔模型也有它的問題：磁鐵高速旋轉的時候，真的能從磁極發光嗎？

脈衝信號的輻射，曾經被認為是中子星的極端磁場的特有行為。但是後來人們發現，在某些主序星上，比如超冷星TVLM 513-46546和化學特殊星CU Virginis，都發現了非常相似的脈衝輻射，而這些星體的磁場都很低（數千高斯）。這對磁場震盪模型是有利的。因為磁場震盪模型降低了對磁場強度的要求。絕大多數的脈衝星可以在射電波段被觀測到。少數的脈衝星也能在可見光、X射線甚至γ射線波段內被觀測到，例如著名的蟹狀脈衝星就可以在射電到γ射線的各個波段內被觀測到。

1967年10月，劍橋大學卡文迪許實驗室的安東尼·休伊什教授的研究生——24歲的喬絲琳·貝爾檢測射電望遠鏡收到的信號時無意中發現了一些有規律的脈衝信號，它們的週期十分穩定，為1.337秒。起初她 以為這是外星人“小綠人（LGM）”發來的信號，但在接下來不到半年的時間裏，又陸陸續續發現了數個這樣的脈衝信號。後來人們確認這是一類新的天體，並把它命名為脈衝星(Pulsar，又稱波霎)。

脈衝星與類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子一道，並稱為20世紀60年代天文學“四大發現”。安東尼·休伊什教授本人也因脈衝星的發現而榮獲1974年的諾貝爾物理學獎，儘管人們對貝爾小姐未能獲獎而頗有微詞。

1997年拍攝的美國電影《超時空接觸》（Contact）中女主角破譯了來自外太空的有規律的信號，並據此製成了特殊的機器。但第一次確定乘坐機器與外星智慧聯繫的人選時，卻沒有選她。這段情節被認為是影射了貝爾小姐沒有獲得諾貝爾獎的事情。

一名西維吉尼亞的高中學生，使用來自綠灣射電天文望遠鏡（Robert C. Byrd Green Bank Telescope，簡寫GBT)的數據，發現了一個新脈衝星。

Shay Bloxton，15歲，參與了一個讓學生分析射電望遠鏡數據的項目，於2009年10月15日發現了一個可能是脈衝星的天體。她和NRAO天文台的天文學家在一個月後再次觀察了該天體，證實它確實是一顆脈衝星。Bloxton表示十分興奮，她在11月份前往綠灣，參加跟蹤觀察。她所參與的項目叫Pulsar Search Collaboratory(PSC)，是美國國家射電天文台和西維吉尼亞大學的聯合項目。

科學家首次發現脈衝星是在1967年。去年末，另一名來自South Harrison高中的西維吉尼亞學生，也在參與PSC項目時發現了一個類似脈衝星的天體。

2021年5月7日報道，基於“中國天眼”的觀測，中國科研人員首次找到了脈衝星三維速度與自轉軸共線的證據，標誌着天文學家開始利用該望遠鏡深度研究脈衝星。 ^[4] 

2021年5月20日，國家天文台研究團隊利用中國天眼FAST望遠鏡在觀測中取得的重要進展，正式發佈了201顆新脈衝星的發現。 ^[5] 

2021年12月15日，自2017年10月10日首次對外宣佈發現脈衝星以來，截至目前，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡已發現500餘顆新脈衝星。 ^[7] 

2023年的農曆兔年春節過後，中國天眼的總控室裏，科研人員們正在對望遠鏡的運行狀態進行監控，並蒐集和記錄着來自宇宙的數據信息。FAST總工程師姜鵬表示，截至目前，FAST發現的脈衝星總數已超740顆。先導陣列方面的建設計劃也已在籌備中。 ^[9] 

截至2024年4月，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）已發現超900顆新脈衝星，其中FAST優先和重大項目之一的銀道面脈衝星巡天項目發現了650餘顆脈衝星。900餘顆脈衝星中至少包括120顆雙星脈衝星、170顆毫秒脈衝星、80顆闇弱的偶發脈衝星，這些發現極大拓展了人類觀察宇宙視野的極限。 ^[13] 

脈衝星的命名由脈衝星英文pulsar的縮寫PSR加上其赤經赤緯座標組成。如PSR B1937+21，1937是指該脈衝星位於赤經19 37 ，+21是指其位於赤緯+21°，B意味着赤經赤緯值是歸算到曆元1950年的值。此外，J則表示赤經赤緯值是歸算到曆元2000年的值。

也就是在這一天，也就是在這次會議上，還有另一個人，也準備了相似的發言，他也是一位脈衝星觀測者，他的名字叫做亞歷克斯·沃爾茲坎。

但與林恩不同的是，他的證據確確實實地表明，有一顆脈衝星不僅只被一顆行星所環繞，而是具有一整套行星系統！發言之前，沃爾茲坎有些忐忑不安，因為林恩的認錯無疑更加強化了一種根深蒂固的觀念；“脈衝星不可能有行星環繞”。不過這一次，事實證明沃爾茲坎是對的，他不僅發現了脈衝星的“搖擺”，而且計算出有3顆行星在圍繞這顆脈衝星運行，並且這些行星每200天就相會一次，每一次其中兩顆較大的行星都會相互影響對方，這樣就使它們的軌道發生一些微妙的改變。正是這些改變，使他發現了這顆脈衝星擁有行星的秘密。

脈衝星的行星就是這樣被發現了，而且它還是一個完整的行星系統，但是這個時候，那些獵星人連一個太陽系以外的行星也沒有找到，這樣的發現讓獵星人感到十分困惑，因為脈衝星具有行星，這是天文學家過去沒有想到的。脈衝星是爆發過的中子星，他怎麼可能會有行星呢？

第一個日外行星系統就是這樣被發現了，由於它不符合現代的天文學理論，這個發現總是讓人感到有些意外。

脈衝星擁有行星的發現雖然看起來顯得意外，在這方面還有更加意外的發現，那就是脈衝雙星。

赫爾斯是個研究生，他被當作泰勒的助手派往波多黎各的阿雷西博，用大射電望遠鏡觀測脈衝星，那是當時最好的射電望遠鏡，也許正是使用了這個望遠鏡的原因，他發現了一種奇怪的電波，這個時候距離第一顆脈衝星的發現僅僅過了七年，人們對脈衝星的瞭解還很膚淺，當時赫爾斯還不能立刻確信他所看到的週期變化就是事實，經過反覆觀測後，他才確定該系統是雙體。他把這個消息電告泰勒，泰勒立刻趕往阿雷西博，他們進一步研究後認為這是一個脈衝雙星，並且一起確定了雙星的週期和兩顆天體之間的距離。

於是，第一顆脈衝雙星就是這樣被發現了，這個發現在1993年被授予諾貝爾獎，這樣有關脈衝星的發現就有了兩項諾貝爾獎。

2003年12月，Nature上的一篇研究報告宣佈發現了脈衝星PSR J0737-3039，與看起來像是一顆中子星的恆星成對出現。一個月後，當來自澳大利亞Parkes天文望遠鏡的數據被重新分析時，研究人員發現該中子星實際上也是另一顆脈衝星。所以這是第一個被發現的雙脈衝星體系，名稱是PSR J0737-3039 A/B。

脈衝雙星與雙脈衝星

脈衝雙星與雙脈衝星是有區別的。在脈衝雙星系統中，一個脈衝星與另外一個非脈衝星（可以是中子星、白矮星、甚至是普通的主序星）相伴。在雙脈衝星系統中，必須是兩個脈衝星相伴。已經發現的脈衝雙星系統已經有120個，而發現的雙脈衝星系統只有一個PSRJ0737-3039A/B。

由於脈衝星是在蹋縮的超新星的殘骸中發現的，它們有助於我們瞭解星體蹋縮時發生了什麼情況。還可通過對它們的研究揭示宇宙誕生和演變的奧秘。而且，隨着時間的推移，脈衝星的行為方式也會發生多種多樣的變化。

每顆脈衝星的週期並非恆定如一。我們能探測到的是中子星的旋轉能（電磁輻射的來源）。每當脈衝星發射電磁輻射後，它就會失去一部分旋轉能，且轉速下降。通過月復一月，年復一年地測量它們的旋轉週期，我們可以精確地推斷出它們的轉速降低了多少、在演變過程中能量損失了多少，甚至還能夠推斷出在因轉速太低而無法發光之前，它們還能生存多長時間。

事實還證明，每顆脈衝星都有與眾不同之處。有些亮度極高；有些會發生星震，頃刻間使轉速陡增；有些在雙星軌道上有伴星；還有數十顆脈衝星轉速奇快（高達每秒鐘一千次）。每次新發現都會帶來一些新的、珍奇的資料，科學家可以利用這些資料幫助我們瞭解宇宙。

博內爾是安東尼·休伊什（Antony Hewish）的研究生，正是她首次發現了脈衝星。1968年，她和休伊什聯名在《自然》雜誌上公佈了這一發現。1973年，她們又共同得到了美國富蘭克林管理研究院頒發的邁克爾遜獎章。遺憾的是，就在1974年，當諾貝爾獎第一次授予天文學家時，博內爾的導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。許多天文學家對此表示了憤怒，但也有人認為博內爾僅僅是做了收集數據的工作，而休伊什對數據的解釋才是關鍵。博內爾從來沒有去爭論自己的落選，但絕大多數的報告都顯示，她所做的絕非僅僅是進行早期的觀察。

11月10日7時42分，我國在酒泉衞星發射中心用長征十一號運載火箭，成功發射了脈衝星試驗衞星。該星主要用於驗證脈衝星探測器性能指標和空間環境適應性，積累在軌試驗數據，為脈衝星探測體制驗證奠定技術基礎。脈衝星被稱作宇宙中的燈塔，它們特徵明顯、易於辨識，在宇宙中的定位位置比較精準。

脈衝星試驗衞星屬於太陽同步軌道衞星，衞星入軌後，將開展在軌技術試驗，驗證星載脈衝星探測器性能指標和空間環境適應性，積累在軌實測脈衝星數據，為脈衝星探測及技術體制驗證奠定技術基礎。 ^[2] 

天文研究中，測量天體到地球的距離通常很困難，但距離是最基本的參數。脈衝星距離是進一步研究脈衝星起源、演化、分佈以及輻射特性等所需最基本的參數。目前已發現的兩千多顆脈衝星中僅約有十分之一的脈衝星具有測量距離（不依賴於模型的距離)。近年來，快速射電暴是天文觀測中發現的一類起源未知的、色散量較大的、持續時間為毫秒級的射電脈衝。快速射電暴的距離對分析其起源以及與銀河系的位置關係（河內源或河外源）非常重要。已探測到的17個快速射電暴中有紅移測量的僅為兩個。

脈衝星發現不久，科學家發現使用脈衝星測量距離以及色散量（DM）可構建銀河系的電子密度模型。應用此模型可估測所有具有色散量測量的銀河系內脈衝星的距離，且模型距離的精度極大依賴於已知距離測量的脈衝星數目、準確度。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自由電子密度的分佈。

近期，中國科學院新疆天文台博士生姚菊枚構建了新的電子密度模型（簡稱YMW16）。相對已有模型，通過近十多年觀測，YMW16具備以下有利條件：一、具有測量距離的脈衝星數目增加了一倍，且銀河系結構參數精度提高；二、麥哲倫雲脈衝星數目增加，對麥哲倫雲結構認識得到提高；三、發現快速射電暴，研究了星系際介質自由電子密度的分佈。研究人員緊抓時機，提出的YMW16不僅提高了銀河系脈衝星模型距離精度，在95%的置信區間範圍內優於NE2001近40%，且是第一個可用於估測麥哲倫雲脈衝星及快速射電暴距離的模型。姚菊玫在澳大利亞天文台教授R. N. Manchester與導師王娜的指導下，完成這項工作。相關研究成果已發表在《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal，2017, 835, 29）上 ^[3]  。

在脈衝星研究方面，2021年5月“中國天眼”團隊首次找到脈衝星三維速度與自轉軸共線的證據。“這一發現是當前超新星模擬所不能解釋的，挑戰了現有中子星起源模型，也拓展了人類對極端物理條件下特殊天體起源的認識。” ^[6] 

截至2022年8月，FAST已發現的脈衝星超660顆。FAST已開展脈衝星計時系統研製和先進接收機系統研製，未來FAST還將深入脈衝星搜索的科學研究。 ^[8] 

2023年6月消息，科學家利用“中國天眼”FAST發現了一個軌道週期僅為53分鐘的脈衝星雙星系統，是目前發現的軌道週期最短的脈衝星雙星系統，從觀測上證實了蜘蛛類脈衝星從“紅背”向“黑寡婦”系統演化的理論。該研究由中國科學院國家天文台科研團隊與國內外合作者完成，相關成果6月21日在國際學術期刊《自然》在線發表。 ^[10] 

2023年7月，從FAST運行和發展中心獲悉，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）已發現800餘顆新脈衝星。 ^[11] 

2023年10月，由中國科學院國家天文台韓金林研究員領導的“王綬琯巡天突擊隊”利用中國天眼FAST在“銀道面脈衝星快照（GPPS）巡天”中新發現了76顆偶發脈衝星，包括目前人類已知脈衝星中最闇弱的一批天體，它們僅在少數旋轉週期中偶然輻射脈衝，國際上稱為“旋轉射電暫現源（RRAT）”。 ^[12]