你是一個「路痴」嗎？分不清東南西北，只知道上下左右，兜兜轉轉半天又回到起點，「路痴」們的痛恐怕只有他們自己心裡清楚。
好在隨著智慧型手機的普及，人們可以在手機上下載導航軟體，配合GPS和北鬥的衛星導航，我們迷路的概率大大降低了。
不過，作為一個熱愛科學的寶寶，你有沒有想過，如果有一天我們要進行星際旅行，茫茫的宇宙空間，沒有了GPS，沒有了北鬥，誰來充當「宇宙燈塔」為我們指明方向呢？
答案就是脈衝星。
脈衝星由恆星演化和超新星爆發產生，因發射周期性脈衝信號而得名。脈衝星的本質是中子星，具有在地面實驗室無法實現的極端物理性質，是理想的天體物理實驗室，對其進行研究，有希望得到許多重大物理學問題的答案。
由於脈衝星具有極其穩定的周期性，其穩定度優於10-19，被譽為自然界最精準的天文時鐘。因此，脈衝星能夠成為人類在宇宙中航行的「燈塔」，為近地軌道、深空和星際空間飛行的太空飛行器提供自主導航信息服務。
目前，射電望遠鏡是觀測脈衝星最為有效的手段。被譽為「中國天眼」的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）經過兩年的緊張調試工作，現已實現了跟蹤、漂移掃描、運動中掃描等多種觀測模式，數項關鍵指標超過預期。截至目前，已發現了44顆被確認的新脈衝星，有望明年下半年完成驗收並向全國天文學家開放使用。
那麼我們普通人能否有機會近距離接觸脈衝星探索的全過程呢？答案是肯定的。在一款名叫「燈塔計劃」的遊戲中，有來自中國、美國、印度、澳洲等國際最先進的射電望遠鏡觀測到的真實的脈衝星數據圖。這些數據圖中，據稱有些是實時觀測的數據，有些是經過天文研究組用人工智慧篩選後留下的疑似脈衝星，有些是以往未被深度挖掘過的殘留數據圖。也就是說，在遊戲中，我們可以直接參與真實的脈衝星探索，而且要是發現了真實的脈衝星，可以直接聯繫獲得官方認證。
對一位天體物理的愛好者來說，「燈塔計劃」簡直有致命的吸引力，小編立馬開始體驗。
剛進入遊戲，小編就得知原來人們對脈衝星這個宇宙燈塔的了解得追溯至19世紀末。19世紀的道爾頓原子說一直籠罩著整個科學界，人們一直認為原子是物質最基本的且不可分割的組成單位。而這一假說的正確性被約瑟夫·湯姆森的電子發現給徹底打破了。
隨著遊戲的晉級，小編竟可以和湯姆森一起感受電子的電擊眩暈；和盧瑟福一起感受質子的雷電式轟炸，和愛丁頓一起探索太陽內部的核輻射，和錢德拉塞卡一起感受黑洞的吞噬……。
最終發現，人類探索脈衝星的故事果然不是像教科書說的那麼具有邏輯條理性，而是經歷了半個多世紀的時而喜從天降、時而南轅北轍的浪漫探索。脈衝星作為宇宙中最神奇也是最重要的星體之一，又是我們天眼致力探索的對象，小編真想把「燈塔計劃」中人們對它的探索之旅來做分享。
在1897年，劍橋大學卡文迪許教授約瑟夫·湯姆森爵士正在用陰極射線管研究陰極射線。湯姆森發現陰極射線在空氣中的射程比一般原子要遠得多，這使他猜想組成陰極射線的粒子應該比原子更小、更輕。
為了驗證這一想法，躊躇滿志的湯姆森決心要測出陰極射線的質量和帶電量。他通過陰極射線在磁場中的測出了組成陰極射線的粒子質量與電荷量的比值。結論是驚人的——這種粒子帶負電並且其質量竟然比當時已知是最小微粒的氫原子還要小兩千倍左右。
在不斷更換陰極材料還是得到相同的實驗結果之後，湯姆森大膽地認為這是一種比原子更小更基本的粒子——電子。電子的發現顛覆了從古希臘時期就流傳下來的「原子不可分割」的理念，打開了通向基本粒子物理學的大門。
1904年，湯姆森基於電子質量小帶負電的性質，又基於原子呈電中性的性質，提出了原子的棗糕模型，認為電子是均勻的分布在整個原子上，就如同散布在一個均勻的正電荷的海洋之中。然而，棗糕模型的合理性卻被6年後的一個巧妙的實驗給質疑了。
1910年，英國曼徹斯特大學的物理系主任歐內斯特·盧瑟福教授和他的學生們用α射線轟擊金箔，卻發現有少數α粒子散射角度非常大，有的甚至反彈了回來。這一實驗結果與「棗糕模型」的預期大相逕庭。
「就好像你用十五英寸的炮彈轟擊一張紙，結果炮彈卻被反彈回來擊中你自己一樣」，盧瑟福描述道。他修改了湯姆森的模型，認為原子必有一個帶正電的堅實緊密的核心與α粒子發生碰撞，並且這一核心佔據的地方很小，才能使得大多數α粒子穿過金箔，而電子則繞著原子核做圓周運動。由此原子的「行星模型」誕生了。
受到金箔實驗的啟發，1917年，盧瑟福又用α射線轟擊氮氣，發現生成了氧和氫原子核。再加上其它原子的質量幾乎都是氫原子質量的整數倍等事實，盧瑟福得出氫原子核是組成原子核的基本粒子這一結論，並稱之為「質子」。原子內部的結構變得清晰，原子世界終於向人類敞開了大門。
盧瑟福的發現讓當時的人們相信所有的物質都是由原子核和電子組成。對物質基本結構的認識驅使人們探索宇宙中的各種物質的形成和演化過程，其中最激發人們好奇的當屬天體物理。因為自人類誕生之日起，太陽就一直在頭頂燃燒，不分春夏。然而直到二十世紀初，人們都並不了解它，不知道它怎樣形成，甚至不知道它如何能維持現在的模樣。
1920年以前，人們僅僅知道，因為萬有引力的存在，這麼大質量的天體一定會向內塌縮，而太陽不斷向外輻射能量，這些輻射可以提供與萬有引力相抗衡的壓力。但是，是什麼燃料或能源能夠提供太陽十億多年的輻射能量呢？
恆星內部能量來源的問題一直吸引著英國劍橋天文臺的主任亞瑟·愛丁頓。愛丁頓在當時是極富盛名的天體物理學家。1919年他帶領團隊前往南極考察日食並觀測到光線經太陽偏折的角度與廣義相對論的預言非常吻合，從而最早證明了相對論的正確性。
當記者問愛丁頓：「據說目前世界上懂相對論的包括愛因斯坦在內只有三個人是真的嗎？」愛丁頓自豪地回答：「讓我想想第三個人是誰？」
當愛丁頓得知盧瑟福揭開原子內部結構的秘密後，發現在太陽那麼高的溫度下，原子核與電子將會被電離開，不可能存在完整的原子。那麼有沒有可能太陽內部的能量來源於原子核之間的相互作用呢？
當時實驗室中已有證據證明氦原子的質量比起四倍氫原子的質量要小千分之八，再加上愛因斯坦質能方程告訴我們質量的衰減會轉變成巨大的能量，愛丁頓在1920年猜想太陽內部的能量來自於四個氫原子核聚合成一個氦原子核產生的質量衰減。
這個猜想真是出奇的偉大，因為在當時沒有任何理論或實驗依據證明核聚變的存在，甚至連太陽內部主要由氫原子核組成的證據都沒有，而愛丁頓卻猜出太陽內部的能量是氫核聚變產生的。但是，愛丁頓意識到他的猜想有一個重大的問題。
在1910至1916年間，由於天文觀測技術的進步，人們開始測量早在1783年就發現的一種叫白矮星的星體的密度。這種星體之所以叫白矮星，是因為它的一直輻射白光並且體積非常小（「矮」）。
在1916年，天文學家們測得白矮星的密度比太陽要高兩萬五千倍，甚至比原子的密度還要高。愛丁頓發現只要白矮星內部也是由分離開的原子核和電子組成，那麼它們的密度超過原子沒什麼奇怪。因為原子核比原子小十萬倍，所以原子核之間的最小距離可以比原子小很多，也就能存在白矮星內部了。
但是這個星體結構有個很大的問題。原子核需要不斷的聚變反應提供向外輻射的能量以抵抗萬有引力向內坍縮的力量，因此總會有一天星體內部的能量輻射過多，導致內部的溫度下降，最後沒有足夠的能量來電離開原子核和電子。此時原子核和電子會重新組合成原子嗎？如果會，那麼核聚變反應將不復存在，那星體又怎麼能夠抵抗萬有引力呢？
愛丁頓猜想引發的這個謎團一直困擾著物理學界近十年。而在這十年間，物理學家們在繼盧瑟福揭示了原子內部結構後建立了微觀世界的全新理論——量子力學。從薛丁格、海森堡到狄拉克，我們了解到微觀世界與宏觀世界完全不一樣。
根據量子力學中的泡利不相容原理，在同一區域內不可能存在兩個一模一樣的電子。這使得愛丁頓猜想的謎團迎刃而解。
1926年，英國劍橋大學的物理學家拉爾夫·福勒利用泡利不相容原理解釋了白矮星的問題。當星體輻射完所有能量使得核聚變反應無法進行時，萬有引力由於沒有了與其抵抗的外力，會使星體坍縮至白矮星的尺度。這時，由於同種狀態的電子不可能存在同一區域內，就好像一個電子要將其他的電子踢出它存在的區域，不允許其他電子入侵，使得電子之間形成了一種排斥力。
有了這種排斥力，即便沒有核聚變反應提供能量，白矮星也能抵擋住了自身的萬有引力坍縮。因此愛丁頓對星體內部組成的猜測與白矮星的現象完全沒有矛盾。以太陽為代表的恆星為何持續不分春夏的普照大地這個千年難題終於水落石出了。
在1932年，科學家們在實驗室中發現了核聚變的現象，從而使得愛丁頓的恆星模型在當時變得非常完美：太陽這樣的恆星通過內部核聚變反應提供向外輻射的能量普照著整個天空，同時抵抗恆星自身向內坍縮的萬有引力。
當核聚變的能量輻射殆盡後，星體會因自身引力而坍縮至非常小的空間。這時，內部電子們容不得其他電子侵入自身的空間，從而這種斥力抵擋住了引力坍縮，白矮星因此形成了。當愛丁頓沉浸在自己偉大的發現時，他的學生，20歲的印度天才錢德拉塞卡潑了他一盆冷水。
作為愛丁頓的學生，錢德拉塞卡在1931年至1935年一直做一些關於恆星演化的科學研究。雖然愛丁頓的恆星模型在當時看來已算完美，作為學霸的錢德拉塞卡還是不自覺地拿起筆，想要把相對論引入白矮星模型中。
這一加就不得了，他驚奇地發現，並不是所有恆星最後都能變成白矮星，而是存在一個質量上限，也就是1.44倍的太陽質量！如果恆星的質量超過這個極限，即使電子們再怎麼互不相容，還是頂不住萬有引力，恆星還會繼續一直塌縮下去。這個極限就是著名的錢德拉塞卡極限。
這個極限使得黑洞的存在成為必然，因為質量超過這個極限的恆星就會最終坍縮成黑洞。在1935年的一次英國皇家天文學會會議上，錢德拉塞卡報告了自己關於白矮星的研究。但這時候他的導師愛丁頓站了出來，他公開羞辱這位印度學生，宣稱黑洞根本不可能存在，自然規律一定會阻止恆星繼續塌縮。他越說越激動，最後當眾把錢德拉塞卡的論文撕成了兩半。愛丁頓甚至不惜修改相對論來證明黑洞的荒謬。
迫於愛丁頓的權威，整個物理學界，找不到一個人願意站出來支持錢德拉塞卡。直到五十多年後，時間才證明錢德拉塞卡是對的。而當年的那場羞辱，也讓黑洞的概念遲到了幾十年。
愛丁頓的恆星模型可以解釋太陽這樣的持續發光的恆星，但當時的觀測發現有些星體不是持續發光，而是突然地閃光然後消失，這些星體被稱之為新星。這些新星中，有一些來自遙遠的星系而非我們的銀河系中。
至1931年開始，美國加州理工大學的沃爾特·巴德教授和弗利茨·茲威基教授對此類新星進行了深入研究，發現這些新星幾天輻射出的能量就超過了太陽幾億年輻射能量的總和，他們稱這類新星為超新星或超新星爆炸。
通過觀測，他們得出結論，要產生這麼大能量的爆炸，只有可能是像太陽這樣的恆星，經過愛丁頓模型中的核聚變反應後，恆星內部喪失了與引力對抗的輻射，恆星快速向內坍縮將巨大的引力能量釋放出來（就好像長江上遊的水被地球的引力牽動向下快速流動而產生巨大能量，我們的三峽大壩也就是把這巨大的引力能量轉換成電能釋放給我們每家每戶）。
這個看似對超新星爆炸唯一合理的解釋還是遇到了問題。經過計算，要想讓坍縮過程中的引力能量達到爆炸的能量，恆星必須坍縮至比白矮星尺度還要小几百倍的空間，在當時看來，任何一種正常的含有原子核和電子的物質都無法達到這樣的條件。戲劇性的是，這個難題再一次被人們對原子結構的探索所解決。
在1932年以前，根據盧瑟福的原子模型，科學家們一致認為任何原子都是由質子與電子組成並且質子與電子的個數相同以保持原子的電中性。但是，實驗物理學家們卻測得原子核的質量比裡面所有質子加起來還要大，說明原子核中可能還存在其它的粒子。
於是盧瑟福假設，原子核中另外的質量來自於捆綁起來的質子和電子，它們在一起呈電中性。然而這一假設始終未能得到證實。這一疑難也困擾著微觀物理學界。
在1932年，居裡夫人的女兒女婿——約裡奧·居裡夫婦用釙衰變產生的α射線轟擊鈹靶，產生了一種穿透本領很強的射線，這種射線不帶電，用它來轟擊石蠟居然可以打出高能的質子。他們錯誤地認為這種新的射線也是一種γ射線。
盧瑟福和他劍橋的同事詹姆斯·查德威克都不認可這一說法，γ射線的穿透本領哪有這麼強？查德威克敏銳地意識到，或許這就是他們一直在尋找的原子核中的電中性粒子！
他立刻放下手頭的一切工作，全身心地投入到對這種新射線的研究中，經常熬夜到很晚。他用了兩個星期的時間，重複約裡奧·居裡夫婦的實驗，又用雲室測定這種粒子的質量，結果發現它的質量和質子相當。
後來人們發現，中子容易與含氫原子較多的材料發生反應，比如水和石蠟，所以約裡奧·居裡夫婦才能從石蠟中打出質子。兩個星期後，《自然》雜誌就收到了查德威克題為《中子的可能存在》的論文。至此，原子核由質子與中子組成的結構才真正確認下來，並且一直沿用至今。
中子的發現讓困惑在超新星起源問題上的巴德和茲威基突然豁然開朗。在1934年，他們猜想如果恆星引力坍縮非常強，將帶負電的電子壓入恆星的原子核中，與帶正電的質子中和，形成不帶電的中子，這樣形成的「中子星」將會比坍縮前由原子核和電子組成的星體的尺度都要小得多。
這樣，恆星坍縮至中子星尺度所具有的引力能量就能足夠提供超新星爆炸的能量所需，中子星的概念也第一次被提出。
巴德和茲威基的中子星的概念在當時只是一個假設，並沒有受到重視。到了1939年，美國加州大學伯克利分校的羅伯特·奧本海默教授和他的學生喬治·沃爾科夫結合相對論和恆星演化模型對恆星坍縮成中子星的過程進行了詳細的考察。
根據量子力學，中子與電子一樣，也遵循泡利不相容原理，即中子不允許和它相同狀態的另一個中子存在同一區域內。因此，與白矮星一樣，中子星通過中子之間互不相容的斥力頂住了它自身強大的萬有引力的壓縮。
奧本海默和沃爾科夫計算出了和錢德拉塞卡極限類似的中子星質量上限，即中子星的質量不可能超過3個太陽質量，不然就算中子再怎麼互不相容，也頂不住引力的坍縮。奧本海默認為超過中子星質量的星體將坍縮成黑洞。
然而，無論是巴德和茲威基，還是奧本海默和沃爾科夫，都只是在理論上預言中子星的存在，但卻沒有提出任何可供天文學家觀測的依據，因此，中子星的概念依然沉睡在天體物理學界裡。
而此時，第二次世界大戰太平洋戰爭爆發，奧本海默開始投身於原子彈研究，領導著名的「曼哈頓計劃」，中子星的研究也就此擱置。直到30年後，隨著射電天文的發展，中子星才又回到人們的視野。
1967年，英國劍橋大學的天文研究生約瑟琳·貝爾用射電望遠鏡在觀測從外太空輻射來的無線電時，發現一個波動起伏的信號，可能暗示一個正在持續閃爍的星體。
這時，她把這個發現給她的導師安東尼·休伊什看，休伊什馬上產生了濃厚的興趣，把當時他們最先進的射電望遠鏡對準這個波源，持續觀測了三個月，最後發現這個波源在以一秒多的穩定周期持續地輻射脈衝。
休伊什無法想像太空中有什麼樣的星體會發出這樣的信號，於是他馬上去請教他的同事們，希望他們用其它的射電望遠鏡來驗證這個觀測。一個月後，其它的望遠鏡也觀測到了這個非常規則的周期性無線電脈衝，並且測得每一個脈衝的持續時間不過16毫秒。
我們知道光速是每秒30萬公裡，也就是說光或無線電在一個脈衝持續時間內只能跑4800公裡，比我們地球的半徑還短。這說明這個脈衝波源的大小不可能比一顆行星還大。因為如果這個波源尺度遠大於4800公裡的話，它表面各處輻射出的無線電信號到達地球的時間差會有可能大於16毫秒，也就不可能導致持續時間小於16毫秒的脈衝了。
這個脈衝波源究竟是什麼呢？休伊什做了大量的猜測，甚至包括它是一顆繞恆星高速旋轉的行星，而這個脈衝是由行星上的外星文明發出的。但他的各種猜測都沒能通過觀測的證實。
正在休伊什忙於通過各種觀測手段來驗證他的猜想時，他的學生貝爾又發現了三顆類似的脈衝波源，而且有一個輻射脈衝的周期只有250毫秒，這說明這個星體不僅小，而且正進行著極高速的周期運動或振蕩。休伊什把他和貝爾發現的這類星體成為脈衝星，即輻射脈衝的星體。
1968年，許多天文學家開始探索脈衝星。美國康奈爾大學的託馬斯·戈爾德教授提出脈衝星很可能是之前巴德和茲威基猜想的中子星。中子星高速旋轉並在兩極輻射無線電光束，光束掃到地球時即產生觀測到的脈衝。只有中子星這麼小的星體才能夠在這麼高速旋轉的情況下不被離心力撕裂。
經過計算，中子星的大小只有十幾公裡，但是質量卻有一個太陽質量。戈爾德把高速旋轉的中子星模型成為燈塔模型。但這只是猜想，究竟怎麼驗證呢？
戈爾德想，如果脈衝星是中子星，那麼觀測超新星爆炸的遺蹟應該能找到脈衝星，因為根據巴德和茲威基的理論，中子星來自於恆星內部核聚變殆盡產生超新星爆炸後形成的。同時，如果周期性的脈衝來自於中子星高速旋轉輻射的無線電的話，那麼脈衝的周期應該隨著時間的推移而變長，因為不斷輻射脈衝會使中子星旋轉的能量減少，也就使得星體自傳的更慢了。
於是，天文學家們便向超新星爆炸的遺蹟的位置尋找脈衝星，最後真的在蟹狀星雲這個超新星爆炸遺蹟中找到了脈衝星，並且發現它的脈衝周期確實在變長。這就證明了戈爾德中子星模型的正確性。因此，中子星存在的證據確鑿，而脈衝星也被稱為宇宙的燈塔。
至此，人類才真正了解了太陽這樣的恆星是怎麼演化的。恆星的內部由原子核產生核聚變釋放巨大能量以抵抗自身萬有引力導致的向內坍縮，也使得恆星能持續地普照大地。當核聚變燃燒殆盡時，恆星無法抵抗自身的萬有引力，開始坍縮。
當恆星質量較小時（小於8個太陽質量），星體坍縮最後形成白矮星；當恆星質量較大時（大於8個太陽質量），星體坍縮導致超新星爆炸，最後的殘留形成中子星或者黑洞。整個演化過程就是一個萬有引力與微觀量子力學的對抗過程。
休伊什教授在1974年因為脈衝星的發現獲得了諾貝爾物理學獎，他也是第一位獲得諾貝爾獎的天文學家。由此開始，人們接二連三的發現了一顆顆神奇的脈衝星。
1974年，脈衝星雙星系統被發現，人們第一次找到了引力波的證據；1982年，毫秒脈衝星被發現，它們輻射的極其穩定的脈衝序列使它們成為宇宙中最精準的時鐘，即宇宙的GPS。這使得脈衝星不僅具有類似燈塔的外形，更具有燈塔指引方向的功能，是名副其實的宇宙燈塔。
1992年，脈衝星行星系統被發現，人們第一次找到太陽系以外的行星，從而打開了探索外星文明的大門。而現在，我們中國的天眼，這個世界上最大最精密的射電望遠鏡，接過脈衝星科學的大旗，開始探索更多更神奇的宇宙的燈塔。
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