中國天眼找那麼多脈衝星到底有什麼用處?


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中國天眼找那麼多脈衝星到底有什麼用處?

從2017年9月起至2021年3月底,中國天眼FAST就已經發現了300餘顆脈衝星;到5月20日又新發現201顆脈衝星,其中包括一批最暗弱的脈衝星,其效率是國外最先進望遠鏡的十倍以上。

中國天眼FAST

有朋友對此很不理解,抱怨說,這麼多科學家花這麼多時間這麼多錢,就為了在天上找幾顆看不見的星星,值得嗎?脈衝星又不能吃,拿來幹嘛用?

愛好天文的你對類似的怨言或許不屑一顧,考慮到這是許多人心中的疑問,我覺得還是有必要說道說道。

脈衝星是啥?

這是一個很基礎的問題,許多人都知道答案。

在我們的宇宙中有無數顆星星。平時我們看得見的是恆星,它們發出耀眼的可見光,白天我們抬頭能望見太陽,太陽是恆星。夜晚,只要天氣好能見度好,我們能看見滿天的星斗,它們多是恆星(其間也有三兩顆行星)。

人與宇宙

科學家們說,恆星其實只在宇宙中佔極少的質量。宇宙中96%以上是我們看不見的暗物質和暗能量,只有不到4%是由重子構成的物質,而這4%中的不到1%才是我們能看見的發光的恆星。

打個比方,你去超市買一大瓶可樂,假設它就是一整個宇宙的話,恆星只是其中的一滴水。其它的呢?其它的我們全看不見!

重子包括質子中子等物質,我們所知道的一切物體都是由重子構成的。宇宙中4%的重子物質除了恆星、星雲和行星外,還有黑洞、白矮星和中子星。這三種星體都屬極密度極大的天體,它們不發出可見光,我們看不見它們。

就拿中子星來說,它是巨大恒星死亡坍縮後的產物,一立方厘米中子星物質的質量高達幾億噸,試想一想在你的湯勺裡放一座珠穆朗瑪峰是什麼感覺吧!

中子星密度極大

中子星比太陽重多了,但我們看不見它,因為它的直徑大約只有10~20千米,並且它沒有恆星明亮。

好在大多數中子星有一個特點,就是它擁有一個極強大的磁場,其磁場強度比地球高千萬億倍,並且這個磁場會隨著中子星的旋轉而旋轉。這種旋轉磁場的中子星就是我們所要找的脈衝星。

中子星磁場

我們怎麼找到脈衝星?

前節提到,中子星有一個旋轉的磁場。其實地球的磁場也是旋轉的,你能在宇宙中探測到嗎?不能,地球的磁場太弱了,它只會影響很小的範圍。

中子星不同,它是巨大恒星坍縮後的產物。強大的壓力將恆星物質劇烈壓縮,電子被擠入了質子內部,質子變成了中子,中子們又被重力擠成密集的一團,這一團核心的外圍包裹著帶電的質子和等離子體雲。

我們知道宇宙中大多數的恆星都會自轉,當恆星死亡向中心坍縮後,由於角動量守恆的關係,中心的中子星會轉得很快。就像花樣滑冰運動員在冰面上做的那樣。

花滑選手的旋轉

當花樣滑冰選手舒展身體開始旋轉時,她的舞姿是曼妙舒緩的。隨著四肢向中心逐漸收攏,她旋轉的速度會越來越快,最後達到令人眼花繚亂的程度。在這個過程中沒有外力的加入,運動員僅靠初始旋轉的角動量就可以獲得非常高的轉速(由a到b),這在物理上被稱為角動量守恆。

角動量守恆

中子星的旋轉也是如此。當然,還有相當多的脈衝星是由兩顆星的合併形成,或者中子星吞噬附近的星體,在此過程中由於相互作用力的關係,造成快速的旋轉。

強烈的旋轉使外殼帶電的中子星產生強大磁場,而磁場的方向與中子星的自轉軸又不完全重合。於是由磁場兩極發射出的電磁輻射波束,包括γ射線、X射線波和波長比較長的電磁波會有規律地掃過太空。

脈衝星形成

從脈衝星磁極發射出的電磁波束是如此集中、強度是如此之強,以至於當它經過了數十萬光年之後掃過地球,依然能被靈敏的天線探測到。同時由於脈衝星的旋轉週期有極精確的周期性,我們探測到的脈衝信號也具有周期性。

尋找脈衝星有什麼用?

雖然天文學家們數百年來持續不懈地探索太空,但應該承認人類對於宇宙的認識依然只是比白痴稍強那麼一點。宇宙中有太多的未知、有無數的謎團需要我們一個一個地去解開,我們不僅需要智慧的大腦,更需要強大的工具。

人類最開始只是用眼睛觀察星空,為了看得更清楚一些,科學家發明了光學望遠鏡並將望遠鏡造得越來越大越來越精密,直到將它送到大氣層之外。在了解到可見光只是電磁波譜中很小的一部分後,科學家開始用射電望遠鏡來接收來自太空的信息,這其中就包括脈衝星發出的信號。

脈衝星

正常情況下,由於其自身的旋轉不受外力影響,脈衝星的自轉極為規律,它的電磁波掃過天空的頻率甚至比人類製造的原子鐘更精確。這個特點使人類想到了海岸邊的燈塔,宇宙飛船在星際間航行時,地面無法為其提供精確的引導,遙遠脈衝星發出的規律信號可以像燈塔一樣為飛船導航。

燈塔的光可以為船隻導航

我們需要的不僅僅是燈塔

如果僅僅是為了星際航行時的航標,我們只需要尋找幾十顆脈衝星就足夠了,實在沒必要大費周章地建造如此多的射電望遠鏡日復一日地看天。

FAST望遠鏡擁有更靈敏的天線,可以接收更遙遠和更微弱的信號,通過對接收到的更多脈衝星信號進行分析,可以揭示出更多宇宙的秘密。

作為宇宙中恆星生命的重要一環,中子星和脈衝星兩極發射的光束攜帶著大量恆星演化的重要信息。脈衝星由於其磁層而產生射電波束,在這個超強的磁層中包含了極端相對論性帶電粒子、極強的等離子體波和極強磁場的奇異混合物,這種環境在其它的天體中不具備,我們在地面也無法模擬。通過對其發射出來的電磁波的分析,我們可以進行更廣泛的等離子體物理研究。

中子星內部結構的猜測

科學家們估計,僅在我們的銀河系中就隱藏著數億顆中子星,我們雖無法找到那些安靜的中子星,但研究脈衝星的同時也能揭示出銀河系的演變規律。

在脈衝星的電磁波束到達地球之前,它們會穿過各種星際間的物質和電離氣體,受其影響,電磁波束會產生如色散、法拉第旋轉等等物理效應,並將這些變化一併帶到地球,通過這些電磁波束周而復始的掃描,可以像做CT那樣透視星際間介質的分佈和變化。

星際間物質

中國天眼以其超高的靈敏度,在很短的時間內就觀測到世界上其它射電望遠鏡無法發現的脈衝星和天體物理現象,它不僅首次探測到費米高能射電源,還通過觀測結果對物理學經典的“旋轉木馬”輻射模型提出了挑戰。這一切都是中國科學家利用大科學裝置對人類科學進步所做出的貢獻。

我們有理由相信,未來還將有新的天體、新的現象,以及更多更新的發現在等待著我們,這顆巨大的科學之眼還將進一步點燃人類探索宇宙未知地帶的夢想。

不只是在天體物理學領域從FAST獲益良多,在建設這台世界最大球面射電望遠鏡的過程中,我們的機械工業、自動化控制、電磁兼容研發、計算機軟硬件設備、測繪地理信息技術、鋼結構設計和工程施工等等都取得長足進步並獲得了寶貴經驗。我們已經聚集了一大批科學研究和工程建設人才,這些都是無可限量的寶貴財富。

南仁東

謹以此文向“中國天眼之父”、天文學家南仁東致敬。