出品：科普中國
製作：蕉葉
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
近日中國科學院國家天文臺500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）首次發現的毫秒脈衝星得到國際認證，這是 FAST 繼發現脈衝星之後的另一重要成果。這顆毫秒脈衝星J0318+0253的周期為5.19毫秒。
圖1 新發現的毫秒脈衝星 PSR J0318+0253 位置和積分脈衝輪廓。（左圖）PSR J0318+0253所在伽馬射線巡天圖像的位置；（右圖a）FAST 一小時跟蹤觀測獲得的射電波段積分脈衝輪廓；（右圖b）摺疊 Fermi-LAT 累積9年數據所獲得的伽馬光子積分脈衝輪廓。
啥是毫秒脈衝星？FAST之前找到的脈衝星又是啥？究竟還有多少我們不知道的脈衝星？
不了解脈衝星？戳這裡補課：中國人第一次用自己的望遠鏡找到新脈衝星！FAST首秀實力不俗！（https：//mp.weixin.qq.com/s/S1danGw8hMQYHWxgWkO23Q）
三類脈衝星 到底如何劃分？
望遠鏡對準脈衝星進行觀測，往往能收到周期性的脈衝信號。這也正是脈衝星名字的由來。而這個周期，就是脈衝星一個重要觀測參數。有人可能要搶答了：毫秒脈衝星就是周期是毫秒量級的脈衝星。然而，事情並沒有那麼簡單。
故事還是要從脈衝星的分類講起。雖然脈衝星的分類和它的周期有關，但並不只是單單依據周期進行「一刀切」，而還要看周期變化率。
我們觀測到的脈衝星信號，雖然在短時間內周期幾乎看不出變化，但如果分析長時間的觀測數據就會發現，它們的周期是會變化的。而周期變化的快慢，即周期變化率，也是脈衝星一個重要的觀測量。
如果以脈衝星的周期為橫軸，周期變化率為縱軸，在二維圖上點出已知的脈衝星，那麼將得到以下這麼一張神奇的關係圖。
圖2 脈衝星「周期/周期變化率」關係圖。注意圖中橫軸使用了對數坐標，縱軸雖然是線性坐標，但數值是取對數之後的。圖片來自《脈衝星天文學》（英文）一書。
大家可以看到，圖上的標記大致分成了三塊。
中間主要由黑色點組成的一塊數量最多，我們有時統稱其為「正常脈衝星」，周期大概在0.5秒左右。周期變化率則說明每隔一秒這些脈衝星的周期就會縮短大概10的-15次方秒。
右上角有少量空心三角形抱團。觀測表明這些脈衝星的磁場比較強大，所以我們稱它們為「磁星」。磁星的周期比正常脈衝星要長一些，周期更不穩定（周期變化率更大）。
左下角主要由帶圓圈黑點組成的一坨，就是今天的主角——毫秒脈衝星。這些脈衝星的周期大部分在10毫秒以下，同時它們的周期變化率比正常脈衝星小了約十萬倍。
毫秒脈衝星是從正常脈衝星變來的？！
從上圖可以看到，如果單純以周期「一刀切」，那麼有一小部分的正常脈衝星（主要是正常脈衝星左上角部分）也會被劃分到毫秒脈衝星裡面。
覺得文字看的暈的直接看下圖。
圖3 三類脈衝星分布示意圖。
為啥要在意小部分正常脈衝星是否被錯誤地劃分到毫秒脈衝星裡面呢？
因為這兩者的性質不一樣啊！
我們看到，圖上用了不用的符號來表示脈衝星。不用的符號代表了對應的脈衝星帶有附加屬性。帶圓圈黑點是處於雙星系統中的脈衝星；五角星是和超新星遺蹟挨在一起的脈衝星；空心三角是伽馬或X射線觀測到的脈衝星；實心三角是在射電波段沒有輻射的脈衝星。
這裡只說說其中的兩類：雙星系統中的脈衝星，及與超新星遺蹟一起的脈衝星。
仔細觀察脈衝星「周期/周期變化率」關係圖，我們會發現那些與超新星遺蹟在一起的脈衝星（五角星）都集中在正常脈衝星左上角。脈衝星誕生於超新星爆炸，而超新星遺蹟就是爆炸遺留下來的氣體。著名的蟹狀星雲就是一個超新星爆炸遺蹟，而星雲中間還有一顆著名的脈衝星，即蟹狀星雲脈衝星。
為啥只有這麼少量的脈衝星是待在超新星遺蹟邊上的？答案是：這些都是些年輕的脈衝星。而當脈衝星「長大」（這裡只是表示年齡變大，不是指體積、質量變大）之後，就會離開「襁褓」了。一個著名的例子是吉他星雲及其中的脈衝星。
圖4 編輯自海爾望遠鏡於1992年拍攝的吉他星雲圖片。圖片來源：http://www.astro.cornell.edu/~shami/guitar/
在吉他星雲「琴頭」部位裡藏有一顆脈衝星。一般認為，這次超新星爆炸得不太均勻，使原本生成於「琴腹」中的脈衝星被炸飛了出去，慢慢地拉出現在看到類似吉他的星雲形狀。由於這顆脈衝星被炸飛出去的速度很快，現在正以大約1600公裡每秒的速度遠離星雲，所以如果每隔幾年去拍一張照片，能看出星雲明顯被拉得更長了。
圖5 哈勃望遠鏡於不同年份拍攝的吉他星雲，能明顯看出星雲變長了。注意，圖中背景恆星的位置是相對固定的，只有星雲形狀變化。圖片來源：http://www.astro.cornell.edu/~shami/guitar/
所以，隨著時間的推移，很多脈衝星就遠離了其原本所在的超新星遺蹟。此外，根據能量守恆我們知道，脈衝星不可能一直輻射能量而不損失能量。脈衝星損失的正是它的自轉動能。這將導致它的周期逐漸變短，進而慢慢落入到正常脈衝星那一大團黑點裡面了。
如果故事繼續發展下去，脈衝星的自轉能量進一步損失，那它在「周期/周期變化率」關係圖中的位置就會慢慢往右下角移動，最終進入右下角灰色三角區域——脈衝星「墳墓」區。進入墳墓之前，脈衝星的輻射會變得時有時無，最終進入墳墓「死去」，不再發出輻射。不過「墳墓」區僅僅只是理論研究結果，實際上也有「殭屍」脈衝星存在（處在墳墓中但仍然發出信號）。
FAST此前發現的脈衝星，都屬於「正常脈衝星」。其中有一顆比較靠近「墳墓」，輻射時有時無，很多時候探測不到它的信號了。
有一部分脈衝星比較幸運，它們邊上有另外一顆恆星。這就是雙星中的脈衝星。這些脈衝星，當距離邊上的恆星足夠近時，可以通過吸收對方的物質來「抵抗衰老」。在吸收物質的過程中，這些脈衝星的自轉速度會越來越快，脈衝信號的周期隨著變短。它們的周期變化率也會變小，即周期更加穩定。它們就這樣靠著他星的能量，慢慢地從「正常脈衝星」那一堆分布中朝左下角移動，最終成為一顆毫秒脈衝星。
我知道大家看字又要看暈了，請看下圖總結：
圖6 正常情況下，脈衝星大致沿著帶箭頭紅色實線生老病死。小部分脈衝星靠著吸積伴星物質，沿著帶箭頭紅色虛線發育成毫秒脈衝星。
脈衝星的分類，最終還和它們的演化階段有關係。這也是為什麼我們說不能單靠周期來劃分脈衝星類型的原因之一。
所以回到題目，這次發現的毫秒脈衝星究竟是個啥？
答：是一類依靠吸積伴星物質加速成為周期又短又穩定的脈衝星。
呵~科學家們還真是嚴格呢！
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