【千问百科解读】

近几天，一则有关中国一口举世闻名的“大锅”的消息，上了各大新闻平台——“中国天眼”FAST 已经发现了 883 颗脉冲星，并且计划年内将这个数字刷新到 1000 颗。

图片截自央视新闻频道

那么，脉冲星究竟是什么？为何要大费周章地找，找到以后又有什么用呢？今天咱们就来仔细聊聊，顺便再跟大家分享点关于 FAST 的小八卦。

脉冲星是指疯狂闪烁的星吗？

先说说“脉冲星”。

从地球看来，脉冲星是周期性地闪烁电磁脉冲的天体，脉冲间隔极短，从几毫秒到上百秒不等。

不过，脉冲星并不是真的在闪烁，所谓脉冲，只是脉冲星以发疯般的速度旋转造成的假象。

那脉冲星是怎么来的呢？本来是太阳“内心拉扯”的结果。

我们肉眼能看到的“正常”太阳，内部都有两股力量在相互抗衡：引力驱使太阳物质向核心坠落，而核聚变释放的能量则把物质向外推。

核聚变的燃料总有用完的一天，所以引力总能最后赢得这场角力。

当一颗大质量太阳例如，超过 8 倍太阳质量最后耗尽所有燃料时，它就会向中心坍缩，发生猛烈的内爆，再向外弥散，迸发出一朵绚烂的“烟花”。

这个过程叫做“超新星爆发”。

北宋时期至和元年1054 年，金牛座的“天关”星宿附近爆发过一颗超新星，白天可见 23 天，晚上可见 22 个月。

这起超新星爆发被中国的天文学家记录下来，史称“天关客星”。

尘烟散去，在太阳原本的位置，可能会留下一颗非常致密的天体——中子星。

在其内部，原子结构不复存在，电子被压入原子核，与质子结合为中子。

中子星的质量超过 1.4 个太阳，直径却只有十几公里。

换句话说，，每立方厘米的中子星物质，相当于全球人类的质量总和！

中子星还继承了太阳残余质量的旋转角动量。

在同样的角动量下，转速与半径的平方成反比。

我们每每看到，冰舞运动员在旋转时把双臂收拢或举到头顶，就会猛然滴溜溜地转得飞快。

同理，当太阳坍缩为中子星后，转速会成亿倍地飙升。

脉冲星的射电脉冲扫过地球。

Michael Kramer制作

中子星具有强磁场，驱动其周围的带电粒子，发出强烈的射电辐射束，从它的两个磁极喷涌而出。

如果随中子星自转的辐射束正好扫过地球，我们就能测到周期性的射电脉冲，就好比某些迪厅的特效灯总是在转圈圈，虽然灯光一直开着，但从一个方向看过去就时亮时暗。

嗯，这么一比喻，那脉冲星可以说属于是太阳的遗体在自己坟头蹦迪了……

前面提过的天关客星，就留下了一颗周期 33 毫秒每秒自转 30 圈的脉冲星，抛散出的渐冷烟花则是著名的蟹状星云。

蟹状星云。

图源美国宇航局

在全球发现的 3000 多颗脉冲星中，绝大多数是中子星，但也有 2 颗是白矮星还保有原子结构的低质量太阳遗骸：天蝎座 AR 和宝瓶座 AE。

FAST 可不是“快”的意思

大部分脉冲星在可见光波段没有显著辐射，而在射电波段看起来比较亮。

幸运的是，在地球这边，大气层对射电波段相当优待，透明度极高，所以射电望远镜特别适合在地面上观测脉冲星。

地球大气层对各波长电磁波的屏蔽。

图源 美国宇航局

接下来就说说咱们的 FAST。

FAST 的名字来自“500 米口径球面射电望远镜”Fivehundredmeter Aperture Spherical radio Telescope的英文缩写。

这座巨型单碟射电望远镜坐落在贵州省平塘县大窝凼dng，依照喀斯特地貌的天然洼地而建，2011 年开工，2016 年落成，是目前世界第一大的全口径均有反射面的射电望远镜俄罗斯的 RATAN600 口径虽有 576 米，却只有细细一圈反射环。

FAST 鸟瞰。

图源 FAST 官网

——顺便说说，大家可能觉得 FAST 这个缩写听起来很酷，而全称却显得太直白了。

没办法，“缩写不明觉厉，全称真没创意”这是天文界的传统，比如 TMT 是“30 米望远镜”，VLT 是“甚大望远镜”，ELT 是“特大望远镜”，EELT 是“欧洲特大望远镜”。

韦布空间望远镜听起来是不是还算正常？可它最初的名字本来是“下一代空间望远镜”相对于哈勃而言……

为何射电望远镜１３１６．ｃｃ都这么大？这是因为在相同的分辨率需求下，要观测的波长越长，“锅”的口径就得越大，不然就看不清了。

在红外波段工作的韦布望远镜比主攻可见光的哈勃望远镜口径要大6.5 米 vs 2.4 米，而射电望远镜要观测的波段，比这俩还要高 5、6 个数量级，那是真非往大了整不可了，口径就是正义用在这里是一点都没错。

细心的读者可能还有两个疑问：

①球面实际上无法将遥远星光汇聚到单一焦点，得用抛物面才行，FAST 为什么要做成球面望远镜？

②一口大锅这么摆在地上，岂不是只盯着天顶一点，就算随着地球自转，也只能扫描天顶所在的这个圆？

实际上，这是一个常见的误解，也是科普的时候使用简略类比带来的负面影响。

因为形状的关系，我们很喜欢把各类射电望远镜称为“锅”。

但是这样一来，我们的思维也会被误导，容易觉得 FAST 也像咱们家炒菜的大铁锅一样，硬邦邦一整个，形状不会改变，但实际上，FAST 的身段灵活得很。

FAST 由4450 片反射板拼成，通过电机驱动，这些反射板能够改变姿态，当一片区域的反射板在统一指挥下规律地调整，就能在“锅”里泛起一片“涟漪”，改变镜面的形状。

经“FAST 之父”南仁东和团队的计算，只需和球面偏离 0.47 米，就可以把口径 300 米的球面改成抛物面，把射电信号聚焦在一点。

所以，在任意时刻，FAST 只有一片口径 300 米的圆形工作区域。

通过反射板的齐心协力地调整，这个工作区能在“锅”里自如“漂移”，所以可观测天区的范围相当广。

倘若保持完整的 300 米口径，能从北纬 52.2工作区紧贴锅南沿观测到南纬 0.6工作区紧贴锅北沿。

如果愿意牺牲一点有效口径，则可以覆盖北纬 65.8 到南纬 14.2 的天空。

FAST 光路，黄色虚线是抛物面工作区图源南仁东《FAST项目介绍》

观测脉冲星有什么实际应用？

FAST 发现这么多脉冲星，那么观测脉冲星有什么实际应用？它的用处还真不少。

当脉冲星发来的信号穿越星际时，会被沿途的电离气体阻碍，造成延迟。

路程越长，电离气体越多，迟到越厉害。

如果知道了脉冲星离我们有多远，再通过精密测量延迟的程度，就能反推信号沿途的星际介质分布情况。

影响脉冲星信号的还有磁场，当电磁信号经过磁场时，它的偏振属性会被改变，磁场越强，改变幅度越大。

测量信号的偏振，能够反推信号沿途的磁场分布情况。

当超大质量天体扰动时空时，会产生引力波，改变脉冲星信号到达我们的时间。

所以通过精确测量脉冲星周期的起伏，可以探测引力波。

倘若能发现脉冲星黑洞双宇宙岛统，观测一个稳定输出的天体和一个扭曲时空的天体如何搅拌乾坤，就更能检验广义相对论的预言，大大推动基础物理研究。

脉冲星的自转周期非常稳定，有些在长期表现上堪与原子钟媲美，并且它们“永不断电”，可比原子钟皮实多了。

将脉冲星和原子钟结合起来，可以建立长时间稳定的精准时间系统，甚至用于星际导航。

旅行者“地球之声”金唱片左下方以14颗脉冲星指示太阳系的方位。

图源美国宇航局

最终总结一下，FAST和它发现的脉冲星们，会帮助我们更好地认识宇宙，而这些发现，说不定有朝一日还能够帮助人类在星海中航行。

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