宇宙中最精確的時鐘:毫秒脈衝星的發現歷程

　　中子星物質的密度十分驚人，僅僅大約一湯匙的中子星物質，其質量就將超過1萬億公斤，這幾乎相當於地球上所有人類體重的總和

脈衝星屬於中子星的一類，它們是大質量恆星死亡之後留下的殘骸

　　北京時間8月11日消息，據英國廣播公司(BBC)網站報導，一開始，希納·庫卡尼(Shri Kulkarni)並沒有意識到自己此時正在經歷的是什麼。此時正是1982年9月的一個午夜，他正在波多黎各島上的阿雷西博天文臺，利用這裡巨大的射電天線開展脈衝星的搜尋工作：這是大質量恆星死亡之後留下的一種擁有極高密度，高速旋轉的殘骸。

　　在此之前，庫卡尼剛剛發現了自己的第一顆脈衝星，這顆脈衝星的自轉速度極快——大約每1.5毫秒就自轉一周，這在當時比任何已知的天體自轉還要快上大約20倍。

　　這一年，庫卡尼還只是一名研究生，在他的腦海裡，這樣高速的自轉除了有些令人驚訝之外並沒有其他特別的意義。他想，這只是一顆自轉有些快的脈衝星而已。他打電話給自己的項目導師，已故的加州大學伯克利分校著名天文學家唐·貝克(Don Backer)並報告了相關情況。多年之後，他回憶起當時通話時的情景：「那是一段漫長的沉默。」或許是因為貝克教授意識到了這條消息背後的重大意義。

　　很快，貝克教授提醒庫卡尼他眼前的這項發現所隱含的意義：這是一個正以每秒641圈的速度高速旋轉的天體。今天的庫卡尼已經是美國加州理工學院的一名天文學家，他說：「當時有很多人認為在這樣的高速旋轉下，脈衝星應該會分崩離析。」

　　庫卡尼發現的脈衝星PSR B1937+21一直保持著自轉速度最快天體的記錄直到2006年。就在這一年，傑森·赫塞爾斯發現了一顆編號為Terzan 5ad的脈衝星，這是一顆非常暗弱的脈衝星，但其自轉速度高達每秒716圈

　　美國天體物理學家羅素·哈爾斯。他與另一位美國科學家約瑟夫·泰勒一起，在1974年發現了一對正在相互繞轉並逐漸彼此接近的脈衝星

　　脈衝星很小，直徑一般和一座小型城市相當(大約20公裡左右)，而當時的一般觀點認為，如果它的自轉達到這樣的高速，那麼強大的離心力將會把它自己撕成碎片。

　　但此次庫卡尼的發現用事實打破了這種預言。這項發現將不僅改變庫卡尼的職業生涯，也將徹底改變整個脈衝星科學研究領域。這顆脈衝星編號為PSR B1937+21，它成為了一類最新劃出的類型——毫秒脈衝星中的第一顆成員。

　　這種脈衝星不僅自轉速度快的驚人，它們還有一項引人注目的特徵，那就是它們自轉的周期性非常精確，甚至幾乎可以說是宇宙中最精確的時鐘！正是藉助了這些宇宙時鐘，天文學家們才得以解答有關恆星，物質，甚至是時空本身的許多問題。

毫秒脈衝星是大自然給與我們的饋贈。它是一座位於天宇之中，精密的物理學實驗室

黑洞可能會產生引力波

　　極端天體

　　即便是最普通的脈衝星也非常不可思議。它們是宇宙中密度最高的天體之一，它們是質量約為太陽8~20倍之間的大質量恆星爆發衰亡之後留下的遺骸。當這樣的大型恆星耗盡它最後的燃料並逐漸走向死亡之時，將會以超新星的方式發生猛烈爆發，在此過程中將其外層氣體殼完全剝離。

　　爆發過後殘留下來的就是一個密度極高的內核，由於壓力太過巨大，這個內核物質中的電子已經被擠壓而與原子核中的質子相結合形成中子，這就是所謂中子星。中子星的密度十分驚人，其相當於將1.2~2倍太陽的質量擠壓進一個直徑約20公裡的球體內。僅僅大約一湯匙的中子星物質，其質量就將超過1萬億公斤，這幾乎相當於地球上所有人類體重的總和。

　　這樣驚人的密度意味著在中子星的表面，引力將會十分強大——比地球表面的引力場高出大約1000億倍。如果你要站在一顆中子星的表面，你將會立刻被壓扁成薄薄的一層「物質層」，其厚度僅有一層原子那麼厚，平鋪在中子星的地表上。當然前提還得是你不怕熱，因為中子星表面的溫度大約是100萬攝氏度左右。事實上，中子星表面的超強重力環境不允許任何高度超過幾釐米的地表凸起存在，這也讓中子星表面成為宇宙中最光滑的天體表面之一。

　　另外還有中子星的磁場，它們的磁場同樣是宇宙中最為強大的。即便是磁場最弱的中子星，其強度也比地球磁場高出大約1億倍——這樣的強度幾乎可以破壞原子結構。在中子星的兩極，強大的磁場加速帶電粒子，如正電子和電子，並以束流的方式向太空當中高速噴射出去。這樣的噴流會在射電波段形成信號源，並最終被地球上的射電望遠鏡所接收到。

　　當然，也正是這樣的噴流讓這種天體得到了脈衝星的名稱。當一顆中子星高速旋轉時，它兩端的兩束噴流就像宇宙中的燈塔信號一樣，掃過太空。從地球看去，它就像一盞時明時暗，極具周期性的脈衝信號，其中有些甚至可以慢到10秒一次。

　　如果你要站在一顆中子星的表面，你將會立刻被壓扁成薄薄的一層「物質層」，其厚度僅有一層原子那麼厚，平鋪在中子星的地表上

　　美國天體物理學家約瑟夫·泰勒。由於與羅素·哈爾斯一起利用脈衝星雙星觀測證實了引力波的存在，這兩位物理學家被授予了1993年度的諾貝爾獎

　　但儘管存在自轉周期比較長的脈衝星，它們在一開始的自轉速度都是非常快的。這種高速度是從其作為大質量恆星內核開始就繼承下來的。隨著恆星燃料逐漸耗盡，其再也無法維持自身的穩定，恆星的核心在自身巨大引力的作用下發生劇烈塌縮。

　　就像滑冰運動員在收起雙臂時旋轉速度會加快一樣，隨著自身直徑的劇烈收縮，恆星內核的旋轉速度急劇加快。當恆星最終衰亡只剩下作為殘骸存在的中子星時，這顆中子星的自轉速度可以超過每秒100次。隨著時間推移，纏繞的磁場逐漸丟失能量，中子星的自轉速度也就隨之逐漸放慢下來。

　　但為何庫卡尼所發現的那顆中子星的自轉速度會如此之快？在經過認真分析之後，天文學家們意識到，要想要達到這樣驚人的自轉速度，這顆中子星必定需要得到近旁的另一顆伴星的幫助。隨著這顆伴星逐漸耗盡其燃料，它會發生膨脹，就像所有其他恆星同樣會經歷的那樣——此時它的外層大氣會在引力作用下流向脈衝星，並在其周圍形成高速旋轉的吸積盤結構，就像水池裡的水排出時在落水口形成的漩渦那樣。這種旋轉的吸積盤將會加速脈衝星的旋轉速度。

　　毫秒脈衝星的發現讓脈衝星研究領域重新煥發出生機。自從1967年英國女科學家喬林斯·貝爾發現第一顆脈衝星以來，這一領域已經變得死氣沉沉。該領域的一項裡程碑式發現出現在1974年，當時羅素·哈爾斯(Russell Hulse)和約瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)發現了一對正在相互繞轉並逐漸彼此接近的脈衝星。在這一過程中，這兩顆脈衝星的能量必定正在不斷以引力波的形式發生散失，引力波是時空中的漣漪。

　　這兩人進行的測量時迄今人類所獲得有關引力波存在的最清晰證據，從而證明了愛因斯坦在其廣義相對論中所作出的預言。1993年，由於在這方面做出的開創性工作，這兩位物理學家被授予諾貝爾獎。庫卡尼表示：「那是這個領域的巔峰時期。但在那之後，這個領域僅剩下的唯一可做的事情似乎就是發現更多的脈衝星而已了。到了1982年，有一種感覺就是，似乎關於脈衝星的一切都已經被搞清楚了。」

在整個宇宙中，除了這裡你找不到其他具備如此高的密度和壓力環境的地方

　　宇宙實驗室

　　直到庫卡尼發現首顆毫秒脈衝星，這種死氣沉沉的局面才終於被打破。自那以後，天文學家們又找到了大約300顆屬於這一類別的脈衝星。他們認為僅在銀河系中就有超過2萬顆毫秒脈衝星，另外還有數量大致相同的常規脈衝星——聽上去似乎數量不少，但相比銀河系內動輒數以千億計的恆星數量，這類神秘天體的數量實際上是極其稀少的。庫卡尼發現的脈衝星PSR B1937+21一直保持著自轉速度最快天體的記錄直到2006年。就在這一年，與當年發現首顆毫秒脈衝星時的庫卡尼一樣還是研究生身份的傑森·赫塞爾斯(Jason Hessels)發現了一顆編號為Terzan 5ad的脈衝星，這是一顆非常暗弱的脈衝星，但其自轉速度高達每秒716圈。

　　在這樣的高速和巨大的質量下，毫秒脈衝星將具備巨大的角動量，因此它們的自轉速度將很難慢下來。這就讓它們在漫長的時間裡能夠一直保持近乎不變的自轉周期。當毫秒脈衝星最早被發現時，它們的自轉周期精度幾乎可以與地球上最精確的原子鐘相媲美。目前在荷蘭阿姆斯特丹大學擔任教職的赫塞爾斯表示，時至今日，最新一代的原子鐘的計時精度已經超過了脈衝星，但如果放在更長的時間尺度下，比如數十年的時間裡去比較，那麼毫秒脈衝星的計時精度仍然可以達到與最新的原子鐘不相上下的地步。

　　即便經過數十億年之後，毫秒脈衝星的自轉周期也只會延長几個毫秒而已，但由於天文學家們能夠精確測定其減速速率，因此他們就可以扣除減速效應的影響並繼續將它們用作精確的計時工具。

　　=============分頁符=============

　　毫秒脈衝星的自轉周期精度極高，天文學家們目前對其進行的測量精度已經達到了10億億分之一的量級(10的18次方分之一)。他們對於脈衝星的信號抵達地球的時間預報精度已經達到100納秒(1納秒等於10億分之一秒)的水平。由於這樣的信號極其精確，因此任何最細微的變化都能夠揭示在脈衝星周圍以及信號在太空中傳播過程中所發生的事件。

一顆脈衝星示意圖

　　在太空中瀰漫分布著稀疏的塵埃與氣體物質，它們被稱作星際介質，這些物質會阻擋和發散來自脈衝星的信號。通過對脈衝星信號的衰減，強度以及發散程度進行測量，天文學家們能夠了解星際介質的性質，而後者在恆星與星系形成以及演化方面都扮演著關鍵角色。

　　在脈衝星周圍是幫助它加速自轉的伴星。科學家們想要了解這顆伴星有多大，它是如何隨著時間推移而發生演化的。比如變化的磁場將如何影響其外形以及軌道性質。對於這些，脈衝星信號的延遲，調幅以及其他性質的變化都在向天文學家們透露著這顆伴星的諸多性質以及它與脈衝星之間的互動狀態。

　　得益於對脈衝星極高精度的測定，天文學家們現在可以察覺脈衝信號中哪怕最細微的變化以及它背後的引力作用。在1992年，天文學家們在一顆毫秒脈衝星的周圍發現了一個行星系統，這是人類發現的第一個太陽系外行星系統。來自行星的引力影響造成脈衝星發生輕微晃動，從而對其抵達地球的脈衝信號產生極細微的影響。以庫卡尼發現的毫秒脈衝星PSR B1937+21為例，近期對其脈衝信號的精密分析同樣顯示這顆脈衝星周圍可能存在一些小型天體，其大小可能與小行星的大小接近。

　　通過對這類信號在射電波段，有時候甚至是在X射線乃至γ射線波段的觀測非常重要，因為這是天文學家們了解和研究奇異的脈衝星系統唯一的的途徑。同時這也是研究脈衝星獨特組成與機構狀況的唯一途徑。

　　從本質上說，脈衝星基本就是一顆巨大的原子核。一般認為它們可能擁有一層薄薄的大氣層，厚度不超過10釐米。其中的主要成分則是氦，氫和碳，而其最外側的「地殼」的主要成分則是鐵。而如果你繼續向其內部進發，那裡的物質密度將變得更高，是幾乎完全由中子組成的奇異物質。當然，這些都只是理論模型得到的結論，根本不可能登陸或鑽進一顆脈衝星開展實地考察。

　　然而毫秒脈衝星可以為我們提供線索。它們發出的脈衝信號讓天文學家們可以精確測定它們的軌道並據此定出它們的質量，而這一數據是理論學家們限定並提出新模型和假想理論的基礎。在整個宇宙中，除了這裡你找不到其他具備如此高的密度和壓力環境的地方。對於物理學家們而言，脈衝星就是開展極端條件物理實驗的天然實驗室，甚至可能在這裡找到全新的物質形態。

　　赫塞爾斯說：「這簡直是一個奇蹟：在宇宙中竟會存在這樣的天體，能夠讓我們去涉足物理學中一些原本根本無法觸及的領域。」

宇宙中最精確的時鐘

　　檢驗愛因斯坦的理論

　　這樣的領域就包括引力本身。愛因斯坦的廣義相對論將引力描述為時空的扭曲，並且在那之後，這一理論預測已經經受住了一次又一次的實踐檢驗。然而在脈衝星附近的超高密度物質以及超強引力場環境下，廣義相對論是否仍然有效？要知道唯一能夠在密度和引力強度上超越中子星的就只剩下黑洞了。而要想找出這個問題的答案，研究人員就必須對來自脈衝星的信號進行分析。

　　近期，赫塞爾斯所在的一個研究組發現了一個位於三星系統內的毫秒脈衝星。這個系統中除了這顆脈衝星之外，另外兩個成員都是白矮星——同樣是恆星爆發衰亡之後的遺骸，與中子星之間的差異就在於形成白矮星的恆星質量不如形成中子星的恆星質量那麼大。這種奇異的組合提供了檢驗廣義相對論的一個絕佳機會：等效原理。

　　等效原理是愛因斯坦廣義相對論中的一項核心原則，其可以簡單地表述為：引力對於任何人和任何事物都是等效的。或許其中最有名的案例便是1971年美國太空人戴夫·斯科特(Dave Scott)在月面上利用一把錘子和羽毛進行的一項自由落體實驗。實驗的結果當然是這兩者同時落到月面上，從而證明了月球引力作用對於這兩個物體產生的作用是相同的。與之相似的，研究人員想要了解在這一特殊的三星系統內，其中一顆白矮星對脈衝星施加的引力作用是否與另外一顆白矮星對脈衝星施加的引力作用是相同的。目前這項研究工作還尚未開始進行，但他們表示一旦開展，這將是迄今對於等效原理最為精確的一次檢驗。

　　當然，到目前為止還沒有任何實驗結果表明愛因斯坦的理論是錯誤的。對於相對論最為有力的一項證明來自哈爾斯和泰勒兩人發現的脈衝星雙星系統，他們的觀測進行時人們還尚未發現毫秒脈衝星，但那項觀測證實了引力波的真實存在。不過哈爾斯和泰勒所做的那項觀測仍然是間接的，他們只是通過對這兩顆脈衝星軌道參數的測量，並進而推斷出引力波的存在。時至今日，對引力波的直接探測仍然尚未成功。

　　不過，科學家們正在努力開展這方面的嘗試，如在地面上建設了「極光幹涉引力波觀測臺」(LIGO)，其設計目標是直接檢測宇宙中由於中子星或黑洞相撞時可能產生的引力波信號。這一設施的第一階段運行在2002年至2010年間進行，但結果是一無所獲。但經過大規模升級之後，該設施即將在今年秋季開始第二階段運行。

　　與此同時，一個國際合作的引力波探測項目也正在進行，他們將要藉助的有力工具正是毫秒脈衝星。哈爾斯參與了這一項目，是該項目歐洲小組的成員，他表示：「基本的想法是將這些毫秒脈衝星充當星系級GPS系統」。當宇宙深處的引力波掃過地球時，地球將會發生輕微晃動，就像是漂浮在水面上的浮標隨波上下起伏一樣。這樣的波動將會影響到脈衝星信號抵達地球的時間。

　　在過去的幾年間，天文學家們一直在致力於升級他們的設備，不斷提升對十幾顆最佳「太空時鐘」的計時精度測定值。他們希望這項研究將很快就能有所發現。因格裡德·斯特爾斯(Ingrid Stairs)任職於加拿大不列顛哥倫比亞大學，是該國際項目北美小組的成員。他表示：「在未來5年左右的時間內，我們有足夠的理由預期將可以藉助這種方法探測到引力波信號。」

　　不過，斯特爾斯認為LIGO項目有可能在這方面領先於他們。但反過來說，LIGO的設計目標是探測數倍於太陽質量的中子星或黑洞相互合併時產生的引力波信號，而脈衝星方案所要探測的目標則是超大質量黑洞，即質量相當於太陽數百萬乃至數十億倍的超級黑洞之間相互碰撞時產生的引力波信號。因此，斯特爾斯指出：「這兩個項目所針對的並非相同的探測目標，因此即便最終LIGO計劃真的在我們之前探測到引力波信號，這也並不意味著我們的工作就失去了意義。」

　　但不管在這場引力波探測的競賽中最終究竟是哪一方取勝，通過以上這些案例已經充分證明了毫秒脈衝星是我們理解一系列宇宙現象的有力工具。庫卡尼表示：「它是大自然給與我們的饋贈。它是一座位於天宇之中，精密的物理學實驗室。」人類在大約30多年前收到了這份大自然的禮物，即便在當時這個禮物似乎並不顯得起眼，但對於現在的我們來說，這無疑是一份珍貴的厚禮。(晨風)