近日，中國科學(xué)院國家天文臺射電研究部主任韓金林在 2025 科普中國說帶來演講《 7 年超 1000 顆！“中國天眼”為什么要探測脈沖星?》，一起探索星系演化的奧秘。

以下是韓金林的演講節(jié)選：

“中國天眼”建成后，主要的科學(xué)研究目標是探測銀河系的氫元素跟脈沖星。

為什么要探測脈沖星？這要從銀河系的恒星說起。你可能不知道的是，銀河系里的每一顆恒星都是“活”的，都擁有完整的生命周期，會經(jīng)歷誕生、演化直至死亡的全過程。這些恒星不斷新生與消亡，其中最亮的恒星勾畫出銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)。

銀河系呈扁平狀，擁有銀盤與銀暈，銀盤內(nèi)存在大量氣體。這些氣體最初以氫原子形態(tài)存在，冷卻后會形成氫分子云（分子云），恒星便在分子云中誕生。恒星誕生后，會電離周邊氣體。恒星初始由氫、氦元素構(gòu)成，后續(xù)逐步合成碳、氬、氮乃至鐵等元素，最終因質(zhì)量不同，走向不同結(jié)局：質(zhì)量超過 30 個太陽的恒星會形成黑洞；質(zhì)量在 10-30 個太陽之間的恒星會形成中子星；質(zhì)量小于幾個太陽的恒星則會形成白矮星。

中子星是一種特殊天體，密度極高、磁場極強，旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生脈沖。銀河系內(nèi)因此存在大量恒星死亡后經(jīng)超新星爆炸形成的中子星。

圖片來源于韓金林PPT

1967-1968 年，英國 Hewish 教授及其學(xué)生通過無線電波陣發(fā)現(xiàn)了脈沖信號。這個波動跟地球上汽車開過去的干擾信號非常相似，但是 Hewish 教授的學(xué)生通過仔細觀察，發(fā)現(xiàn)了其中的細微區(qū)別，后來，他們發(fā)現(xiàn)這個信號會每天提前 4 分鐘到達——這是來自天上的信號和來自地球的信號的區(qū)別，最終確認它來自中子星，就是現(xiàn)在大家說的脈沖星。Hewish 教授也因此獲得諾貝爾獎。

圖片來源于韓金林PPT

自 1968 年脈沖星被發(fā)現(xiàn)以來，人類已經(jīng)探索其諸多特性。作為恒星死亡后的致密天體，脈沖星處于極端物理環(huán)境中，密度、磁場、引力場極強，自轉(zhuǎn)速度也快得驚人——與太陽質(zhì)量相當?shù)拿}沖星每秒轉(zhuǎn)速可達 700 圈——這表明其星體結(jié)構(gòu)異常堅固。

不過，到目前為止，盡管人類已經(jīng)探測了 50 多年，仍然不太清楚銀河系當中究竟有多少個脈沖星或者多少個恒星死亡以后變成中子星，到目前也沒有明確銀河系中脈沖星的具體數(shù)量及其分布。

在物理研究層面，過去認為中子星由純中子構(gòu)成，但有理論家提出中子可能分解為夸克，中子星內(nèi)部可能是夸克態(tài)。人類看到了脈沖星的輻射，但脈沖星如何產(chǎn)生輻射，即輻射物理機制也尚未明確。此外，脈沖星信號的傳播特性可用于探測銀河系星際介質(zhì)；其穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)特性，還能用于探測遙遠宇宙的引力波。

值得注意的是，銀河系內(nèi)超三分之二的大質(zhì)量恒星處于雙星系統(tǒng)。恒星死亡后，雙星系統(tǒng)中的兩顆星體仍會相互吸引、交換物質(zhì)，最終可能形成兩顆中子星互相繞轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這類雙中子星系統(tǒng)會逐漸靠近，最終合并，過程中會通過引力波輻射釋放能量。研究脈沖星的專家在 1993 年發(fā)現(xiàn)這類系統(tǒng)，獲得了諾貝爾獎，間接驗證了引力波輻射。這比引力波望遠鏡直接探測到引力波早了許多年。

圖片來源于韓金林PPT

脈沖星的極端環(huán)境還會引發(fā)特殊物理現(xiàn)象。其表面極強的磁場隨星體高速旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生強大感應(yīng)電場，加速粒子并輻射 γ 光子； γ 光子在強磁場中還可能轉(zhuǎn)化為正電子與負電子。光子沒有質(zhì)量，正負電子有質(zhì)量，這里“從無到有”生成了的物質(zhì)。

正因脈沖星蘊含大量待解的物理奧秘，全球所有大型射電望遠鏡均將其列為探測目標。

圖片來源于韓金林PPT

在中國，南仁東等老一輩科學(xué)家推動建成了 FAST 。自 2016 年落成啟動到 2019 年實驗調(diào)試期間，F(xiàn)AST 調(diào)試團隊便發(fā)現(xiàn)了多顆脈沖星。2019 年 FAST 開啟“風險共擔”項目，我們的科研團隊測試確認FAST性能優(yōu)異之后，提出對 FAST 可觀測的銀河系區(qū)域進行全面巡天，希望找出區(qū)域內(nèi)所有脈沖星。

為進一步優(yōu)化效率，科研團隊與 FAST 運行的技術(shù)團隊一起開發(fā)了“快速快照模式”，使得 FAST 觀測鄰近天體目標的切換時間從 10 分鐘縮短至幾秒，每次切換穩(wěn)定幾秒后，就可以對每個天區(qū)點跟蹤觀測 5 分鐘，3 次切換形成一個觀測覆蓋區(qū)，我們稱為一個 Cover 。

“ FAST 銀道面巡天”并不能隨時隨地都能巡測。FAST 位于山谷中，對 26.5 度附近天區(qū)觀測效果最佳，有點類似“坐井觀天”�？蒲袌F隊只能每天利用銀河經(jīng)過觀測天區(qū)的數(shù)小時進行觀測。對觀測的天體目標進行 5 分鐘積分，使得觀測靈敏度比其他望遠鏡高一個量級。

截至目前，F(xiàn)AST 已發(fā)現(xiàn)超 1000 顆脈沖星。要知道，之前，全球各國用各類望遠鏡 55 年共發(fā)現(xiàn)約 3000 顆脈沖星，F(xiàn)AST 僅用數(shù)年便取得這一傲人成績。期待未來幾年，F(xiàn)AST 發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量能很快超越澳大利亞的望遠鏡（他們因銀河在南半球天區(qū)，有觀測優(yōu)勢），成為“脈沖星發(fā)現(xiàn)之王”。

FAST 發(fā)現(xiàn)的脈沖星具有獨特價值：相比其他望遠鏡發(fā)現(xiàn)的脈沖星，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)的脈沖星更暗弱（暗弱一個量級），填補了人類對銀河系暗弱脈沖星認知的空白。此外，F(xiàn)AST 還發(fā)現(xiàn)了很多偶然發(fā)脈沖的天體，占比達到 15% ，遠超之前人們認知的 5% 。

基于新發(fā)現(xiàn)的脈沖星，科研人員可以做各種各樣的物理研究，比如說相對論理論的檢驗�？蒲腥藛T觀測到一顆脈沖星處于相伴天體后方時，受后方伴星的強引力場影響，脈沖到達時間會出現(xiàn)延遲，即“夏皮羅延遲”， FAST 能夠測量到這一現(xiàn)象，且測量精度極高。我們已經(jīng)測量了 6 例。

科研人員還發(fā)現(xiàn)了特殊的雙星系統(tǒng)。比如下圖的這顆脈沖星，它是一個中子星與一個氦星組成的雙星系統(tǒng)。當氦星運行至脈沖星與地球之間時，會遮擋脈沖星信號，即掩食現(xiàn)象。

圖片來源于韓金林PPT

該系統(tǒng)應(yīng)該是雙星中先形成的中子星鉆到漲大的伴星里面，然后剝?nèi)グ樾堑耐鈱又笮纬傻摹＿@是雙星演化理論中大家都認可的所謂公共包層演化環(huán)節(jié)，持續(xù)時間很短。雙星系統(tǒng)從公共包層演化階段形成后，生存時間也很短，因此極難發(fā)現(xiàn)。據(jù)南京大學(xué)教授的模擬，銀河系內(nèi)這類系統(tǒng)僅數(shù)十個。未來兩顆星體將合并并釋放引力波。

除了發(fā)現(xiàn)新脈沖星，F(xiàn)AST 在脈沖星輻射難題的研究中也做出了重要貢獻。過去認為部分脈沖星會“停止輻射脈沖”，但 FAST 觀測發(fā)現(xiàn)，這些“停止輻射”的階段仍存在極微弱的“矮脈沖”，這類矮脈沖，時間很短、強度很低，一般的望遠鏡很難觀測得很清楚。 FAST 已發(fā)現(xiàn)多個脈沖星有類似的輻射，為理解脈沖星輻射的世紀難題提供了重要觀測依據(jù)。

圖片來源于韓金林PPT

國際學(xué)界對 FAST 脈沖星巡天成果高度認可，認為其取得了“非凡成就”。俄羅斯科學(xué)家感嘆，F(xiàn)AST 在其他望遠鏡多次探測過的一個小的區(qū)域，仍能發(fā)現(xiàn)兩百多顆脈沖星（目前已超1000顆），“讓人震驚”；邵逸夫獎得主Lorimer 教授評價，“ FAST 巡天注定是超越世界最成功的巡天”，其成果將“深刻影響”對銀河系中脈沖星和射電暫現(xiàn)源族群的認知。

來源：科普中國