[科普中國(guó)]-FAST將落成 可尋找脈沖星

2016年9月25日，F(xiàn)AST竣工典禮如期舉辦。
這項(xiàng)歷時(shí)十?dāng)?shù)年的大工程，終于竣工。
此前，在7月3日上午，在經(jīng)歷了11個(gè)月的施工之后，貴州大山深處的FAST望遠(yuǎn)鏡鋪設(shè)完了它最后一塊面板，標(biāo)志著其主體工程的完工。
竣工典禮后， FAST很快會(huì)進(jìn)入調(diào)試階段，一步步靠近它既定的科學(xué)目標(biāo)。想想就有點(diǎn)小激動(dòng)呢！
FAST望遠(yuǎn)鏡這么大一口鍋，用來(lái)干什么好呢？
拿來(lái)炒脈沖星，哦不，找脈沖星，想必是極好的。

建設(shè)中的FAST與銀河
（圖片來(lái)源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/7/350146.shtm）

脈沖星是什么？
脈沖星，按字面意思來(lái)解釋，就是會(huì)發(fā)射脈沖的星星。嗯，那不就是平時(shí)說(shuō)的一閃一閃眨著眼睛的星星嗎？不是，同樣是眨眼睛，脈沖星好清純好不做作，和那些妖艷貨色不一樣，眨得更讓科學(xué)家們來(lái)電！
我們晚上用肉眼看到的星星一閃一閃，主要是大氣抖動(dòng)引起的。而脈沖星則是因?yàn)樽陨淼妮椛浜瓦\(yùn)動(dòng)特性，導(dǎo)致會(huì)不停地“閃”。
對(duì)于脈沖星輻射現(xiàn)象的一個(gè)最簡(jiǎn)單的也是最經(jīng)典的模型，是所謂的“燈塔模型”。脈沖星，本身是直徑大約10到15公里之間，質(zhì)量卻比太陽(yáng)還大的中子星（一般的中子星質(zhì)量是1.2到1.5倍太陽(yáng)質(zhì)量之間）。中子星和地球一樣，繞著自身的自轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，并且有南北兩個(gè)磁極。中子星磁極的磁場(chǎng)十分強(qiáng)大，一般有1012到1015高斯（毫秒脈沖星磁場(chǎng)一般是108到109高斯），而我們地球磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度僅有0.6到0.7高斯左右。電子被中子星磁極的強(qiáng)磁場(chǎng)加速，導(dǎo)致磁極處發(fā)出很強(qiáng)的輻射。在自轉(zhuǎn)軸和磁軸不重合的情況下（如同地球地理南北極和地磁南北極不重合一樣），隨著中子星的旋轉(zhuǎn)，從其南北磁極發(fā)出來(lái)的強(qiáng)大輻射束就會(huì)如同燈塔的光束一樣，一圈圈掃向四周。當(dāng)某顆中子星的輻射束掃過(guò)地球的時(shí)候，我們就會(huì)看到一個(gè)不斷眨眼睛的脈沖星。

脈沖星燈塔模型動(dòng)態(tài)圖
上邊部分展示的是一顆旋轉(zhuǎn)中的中子星及其兩個(gè)輻射束。下邊部分紅點(diǎn)指示對(duì)應(yīng)時(shí)刻我們看到的中子星的亮度。黃色曲線是中子星旋轉(zhuǎn)一周的亮度變化。
（圖片來(lái)源： http://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/）

為什么要用FAST那么大一口鍋來(lái)炒找脈沖星？
那我們直接用肉眼看，找不到脈沖星嗎？
為什么要用FAST那么大一口鍋來(lái)炒找？
中子星的輻射很特殊。中子星本身很暗很暗，而它兩極的輻射束卻很強(qiáng)大，于是我們基本只能通過(guò)觀測(cè)其輻射束的輻射來(lái)觀測(cè)它。也就是說(shuō)，天文學(xué)家觀測(cè)到的中子星，基本都是脈沖星。
除了很亮之外，中子星輻射束還有一個(gè)特點(diǎn)，多數(shù)只在射電波段有輻射。這就意味著我們只能用射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)這部分脈沖星。而即使對(duì)于少量在可見光波段有輻射的脈沖星，由于它們發(fā)射脈沖的速度很快，人眼極難分辨，想直接肉眼看到幾乎不可能。
雖然中子星輻射束很亮，但當(dāng)他穿過(guò)遙遠(yuǎn)的星際空間到達(dá)地球時(shí)，還是變得很微弱。為了發(fā)現(xiàn)并研究這些脈沖星，科學(xué)家不得不使用大口徑的望遠(yuǎn)鏡來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。而即使是這樣，到目前為止，人們也只是發(fā)現(xiàn)了2500余顆脈沖星，其中大部分是由澳大利亞64米口徑的帕克斯望遠(yuǎn)鏡找到的。有研究認(rèn)為，如果使用FAST來(lái)尋找脈沖星，我們將能發(fā)現(xiàn)6500顆新的脈沖星，這將是已發(fā)現(xiàn)脈沖星總量的2.6倍！

發(fā)現(xiàn)了1000多顆脈沖星的澳大利亞帕克斯64米射電望遠(yuǎn)鏡
（圖片來(lái)源：http://www.atnf.csiro.au/outreach/visiting/parkes/index.html）

脈沖星這東西，能吃嗎？好吃嗎？怎么吃？
說(shuō)了這么多，按照一貫思路，應(yīng)該再回答下，脈沖星這東西，能好怎？
呃……不能吃！不知道怎么吃！估計(jì)也不好吃。不過(guò)拿來(lái)搞個(gè)大新聞還是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
至今為止，脈沖星領(lǐng)域的研究已經(jīng)拿了兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)：一個(gè)是1967年發(fā)現(xiàn)第一顆脈沖星，證實(shí)了中子星的存在；另一個(gè)是1974年發(fā)現(xiàn)雙脈沖星系統(tǒng)PSR B1913+16，間接證實(shí)了引力波理論。
除了這兩個(gè)獲諾獎(jiǎng)的，還有其它利用脈沖星做出來(lái)的重要研究成果，比如：1972年在蟹狀星云這個(gè)超新星遺跡中發(fā)現(xiàn)脈沖星，證實(shí)了超新星爆炸是產(chǎn)生中子星的主要機(jī)制；1990年對(duì)脈沖星PSR B1257+12的觀測(cè)研究，首次發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系外的行星。

雙脈沖星系統(tǒng)PSR B1913+16軌道進(jìn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)（點(diǎn)）和廣義相對(duì)論的預(yù)計(jì)（線）近乎完美的相符。
（圖片來(lái)源：http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/PulsarTiming.html）

脈沖星還有其它功效嗎？
脈沖星為啥這么厲害呢？它還有什么神奇的功效？
脈沖星能夠如此受到科學(xué)家們的青睞，主要由于它包含了幾個(gè)特點(diǎn)：質(zhì)量大、自轉(zhuǎn)穩(wěn)、短脈沖、線偏振。正如前面提到的雙脈沖星系統(tǒng)驗(yàn)證廣義相對(duì)論理論的研究，由于兩顆脈沖星質(zhì)量都很大，靠得還很近，所以相對(duì)論效應(yīng)很明顯。然后由于脈沖星的脈沖周期一般是十分穩(wěn)定的，我們能通過(guò)觀測(cè)脈沖周期的變化，知道脈沖星本身狀態(tài)的變化。兩者結(jié)合，便可以拿來(lái)驗(yàn)證廣義相對(duì)論。
脈沖星自轉(zhuǎn)周期的穩(wěn)定性，也被用來(lái)作為探測(cè)引力波的工具?？茖W(xué)家通過(guò)觀測(cè)，收集一些脈沖周期足夠穩(wěn)定的脈沖星，然后對(duì)他們進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)到的脈沖周期變化數(shù)據(jù)會(huì)和引力波理論預(yù)言的結(jié)果做比對(duì)，從而來(lái)尋找引力波存在的證據(jù)。
其他天體的輻射一般都是連續(xù)發(fā)射，并且強(qiáng)度變化緩慢甚至不變。而脈沖星脈沖周期僅有毫秒到秒量級(jí)，而其發(fā)射出來(lái)的脈沖持續(xù)的時(shí)間僅僅占約十分之一個(gè)脈沖周期。這樣的脈沖輻射，在穿過(guò)星際空間到達(dá)地球的過(guò)程中，會(huì)受到電離物質(zhì)的影響，產(chǎn)生“色散”效應(yīng)。這種效應(yīng)現(xiàn)在通常被用來(lái)估計(jì)脈沖星與地球之間的距離，或用以研究銀河系的電子密度模型。
除了“色散”，星際介質(zhì)對(duì)脈沖星的影響還包括“散射”、“折射”，這些現(xiàn)象都可以幫助我們研究從脈沖星到地球這段星際空間的物質(zhì)狀態(tài)。然而還有更好玩的事情，那就是用脈沖星來(lái)測(cè)量銀河系的磁場(chǎng)。
很多脈沖星的射電輻射帶是線偏振的。當(dāng)脈沖星的脈沖穿過(guò)星際空間時(shí)，它的偏振方向會(huì)受到星際磁場(chǎng)的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即所謂的“法拉第旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)。通過(guò)測(cè)量廣泛分布于銀河系空間中的脈沖星的“法拉第旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)，我們就可以測(cè)量出銀河系的磁場(chǎng)分布了。值得高興的一點(diǎn)是，這一測(cè)量工作是由中國(guó)科學(xué)家首先做出來(lái)的。
脈沖星也并不只能拿來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究。設(shè)想下，假如我們知道脈沖星的具體位置，知道其準(zhǔn)確的脈沖發(fā)射周期，那它不就變成一個(gè)名符其實(shí)的燈塔和時(shí)鐘了嗎？是的，理論上最少只要4顆脈沖星，就能為我們提供空間位置和時(shí)間信息。將來(lái)如果人類有能力進(jìn)行星際航行，或許脈沖星會(huì)被用來(lái)為飛船指引方向呢！

北半球最亮的脈沖星PSR B0329+54真實(shí)數(shù)據(jù)制作的音頻。該星大約每0.7145秒發(fā)出一個(gè)脈沖。

蟹狀星云脈沖星真實(shí)數(shù)據(jù)制作的音頻。該星大約每0.033秒發(fā)出一個(gè)脈沖。
（脈沖星音頻來(lái)源：http://www.parkes.atnf.csiro.au/people/sar049/eternal_life/supernova/pulsars.html）

FAST這么大的一口鍋，拿來(lái)看脈沖星能看出花來(lái)么？
也許可以呢？
對(duì)于已有的研究方向，這么大的望遠(yuǎn)鏡，可以用來(lái)做更深入的研究。而更令科學(xué)家們期待的，其實(shí)更多的是那些預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，甚至完全預(yù)測(cè)不到的東西。萬(wàn)一發(fā)現(xiàn)一顆轉(zhuǎn)得特別特別快的脈沖星，從而證實(shí)了夸克星的存在呢？萬(wàn)一發(fā)現(xiàn)一顆脈沖星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)，從而更好地檢驗(yàn)了引力波理論呢？萬(wàn)一在仙女座大星系里面看到好幾顆脈沖星，使我們可以研究星系際空間物質(zhì)情況或者仙女座大星系本身的一些物理性質(zhì)呢？這么多的“萬(wàn)一”，想想還真是有點(diǎn)小激動(dòng)呢！