1967年7月,英国新造射电望远镜正式投用,该望远镜用于星空无线电信号流量变化研究,其中一位名叫乔瑟琳·贝尔的爱尔兰女博士研究生主要负责执行繁重的观测记录工作。

在摸索射电闪烁信号特征时,贝尔突然发现到一个周期规律的干扰信号。
这是一个间隔1.33秒的脉冲信号,且在不断重复,听起来如同一个外星系文明所传来的无线电波一样。
贝尔与导师在详细研究后,将此认定为是外星人发出的特定摩尔斯电码,并标记为小绿人。
但在不久后,贝尔又发现不同天区的其他三个周期各异的脉冲信号源,这直接排除了外星人信号的可能性,因为不可能有三种外星人在不同方向,却同时朝地球发射密码信号。
经过色散测量,贝尔得知该信号源自于距离几万光年的遥远地方,这种规律信号究竟出自何处?
脉冲星的发现其实这是一种名为脉冲星的星体,脉冲星的发现被称为上世纪六十年代四大发明之一,而全球第一颗被发现的脉冲星就是贝尔所记录的这颗,后来被命名为CP1919。
脉冲星是仅次于黑洞的致密天体,作为高度磁化且飞速旋转的中子星,它的形成要来源于超行星爆发。
高于太阳质量8倍以上的行星称之为高质量行星,在寿命抵达尽头时,它会爆发一场毁天灭地的爆炸,接着会根据内核残留质量,来形成中子星或黑洞。
如果内核质量在太阳3倍质量之下,高质量行星会坍缩为中子星,反之则是黑洞。
而在这个过程中,如果保持了原高质量行星的角动量,且磁场被进一步增强,则会有极大概率形成脉冲星。
在脉冲星没被发现时,科学家们误以为这是外星文明所营造的干扰信号。
国际学者想要通过三种模型来解释它的信号发射,第一种是密近双星解释,即两颗行星围绕旋转,发光行星被遮挡时,辐射自然接收不到,反之则不然。
第二种是恒星膨胀收缩中会造成信号波动的变化,这倒符合人类对其周期性变化行为的认知。
第三种则是中子星模型,这类星体会自转且具有直辐射束,如同海上灯塔一般。
随着人们的不断探索,越来越多的同类周期性信号被发现,其中甚至有一些能达到毫秒级周期,这直接颠覆了第一种和第二种模型的设想,只有第三类中子星模型才能解释该现象。
后来脉冲星的发现让这一切诡异现象都变得合理,中子星具备高强度磁场后,周围的带电粒子会被集中在一束极窄辐射中,顺着磁轴方向形成一道长无边际的辐射束。
但磁轴与中子星旋转轴方向时而会有所差异,并不能保持完全一致,当二者出现这种情况时,摇摆辐射束随即发生了。

而地球所接受到频繁闪烁且极具周期性的电波信号,就是来自于这种摇摆辐射束,又因为这种信号与脉搏跳动极为相似,所以被称为脉冲星。
从中我们也可以获知,电波信号的间隔时间,其实就是脉冲星的自转周期时长。
自1967年发现首颗脉冲星以来,人类共探测到了3000多颗脉冲星,其中转速最慢的为23.5秒,而转速最快的旋转周期仅为1.37ms,一秒钟内能旋转足足730圈!
这显然超过了人类当时的物理认知,这种速率是汽车引擎转速的近十倍,人体如果以相同转速旋转,只需片刻就会分解破碎,而脉冲星可是一个直径长达20公里的星体。
脉冲星转速基本在秒与毫秒的范围之间,其中小于10毫秒的被称为毫秒级脉冲星,这种脉冲星被认为诞生于双星系统。
什么是双星系统?就是两颗恒星中,有一颗演化为了中子星,它会源源不断的吸收伴星物质,并将这些能量转化为自身旋转动能。
通俗来讲,伴星在此时扮演着加油站的作用,目前人们认为,每秒旋转周期1500次是脉冲星的物质极限。
这就是脉冲星的特征之一——极高的自转速度,而特征之二就是超高的密度。
构成万物的最小单位是原子,而关于目前中子星的主流说法是:其主体构成单位是比原子更小的物质中子。
或者说,中子星本身就是加大原子核。
这种物质组成的星体质量密度要高达1014g/cm3!什么概念?人指甲盖宽度大约为1公分,一个手指头体积就是1立方厘米,如果手指头中填充的是中子星密度物质,那么具体重量大约为1亿吨。
尽管这只是一种理论猜测,毕竟人类目前探测手段的局限性,还未亲手真实探测到脉冲星的物质组成和状态,但通过计算机模拟和信号匹配,一定程度上是可以探测到中子星内部的物理状态的。
遗憾的是,我们无法在地球上用肉眼看到脉冲星,这是因为它们在光学波段没有辐射,只有在射电波段看起来才较强。
不过如蟹状星云脉冲星之类的特殊脉冲星除外,这类脉冲星借助大望远镜是可以探测到的。
脉冲星的探测意义1993年,国际无线电大会在东京召开,并提出要建设新一代更为灵敏的射电望远镜,来接收更多来自外太空的讯息。
时任中科院天文台副台长的南仁东提出:既然别人都有自己的大设备,我们也造一个吧。
次年,南仁东便写出1.73万字的大射电望远镜国际合作建议书,并于2005年向国家提出建造500米口径射电望远镜的神情,但被中央驳回。

直到2007年,发改委才正式批复此工程的正式立项。
2016年,中国天眼FAST在贵州平塘县坐落而成,开始不断接收源于宇宙深处的电磁波。
次年10月国家天文台宣布通过FAST首次发现数十颗优质脉冲星候选体,其中两颗均通过了认证。
截止2022年,我国已经通过FAST探测到了足足660多颗脉冲星。
那么脉冲星的研究,对我们有何益处呢?天文学核心研究可归结为两暗一黑三起源,两暗是指暗物质和暗能量,一黑是指黑洞,三起源则是宇宙、天体、生命的起源,而脉冲星研究则涵盖了其中三项。
高质量恒星演化晚期,最终会变为三种产物,一是白矮星,二是脉冲星为代表的中子星,三是黑洞。
黑洞无法进行直接观测,间接研究脉冲星对了解黑洞有重大意义。
并且脉冲星作为超新星爆炸遗留物,研究脉冲星就是研究高质量恒星晚期的生命过程,换句话说就是在研究天体演化与生命形成。
要知道,生命形成过程中,但凡比铁重的元素,皆由超新星爆炸产生,人是从星尘而来,而脉冲星的研究说不定就暗藏着未被发掘的重大发现。
在研究脉冲星领域上,还有两个颇有趣味的事件。
当年贝尔率先发现了脉冲信号,但其教授休伊什却独揽了诺贝尔物理学奖,完全忽视了贝尔的个人贡献。
以至于当时科研界提起此事时,都嘲笑这是诺贝尔奖上最不公平的一次颁发结果,是没有贝尔的诺贝尔奖。
第二件事就是在贝尔发现脉冲信号之前,有另一位物理学家提前观测到了猎户座某个脉冲星,他观察到自动记录仪发生了轻微颤抖,但他却误认为是设备出现了问题,于是便漫不经心的对着仪器轻踢一脚。
仪器颤抖果真消失了,但他也因此与诺贝尔奖失之交臂,为了不让后世记住自己的愚蠢,这位物理学家选择了掩盖自己的身份。
而这就是迄今为止人类关于脉冲星的探索故事,作为宇宙中极为神奇的星体,脉冲星还有着许多未解之谜等着我们探索与发现!
参考资料:
壹线生活:脉冲星有什么特点?脉冲星有多可怕?
澎湃新闻:从这里望向太空:脉冲星发现55周年和中国探索之旅
中国军网:探索脉冲星: 中国天眼又有新发现它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。
人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。
可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。
而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。
在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项,而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。
宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。
若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.
每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。
图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。
因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源:科技日报