物理群星
1967 天体与宇宙学

脉冲星的发现

The Discovery of Pulsars

一串每 1.337 秒重复一次的射电脉冲,稳定得像人造的。它来自一颗直径二十公里、每秒转一圈的中子星。

当时的困境

1930 年代,理论上已经有人推测过中子星。钱德拉塞卡算出白矮星有质量上限,朗道、兹威基与巴德先后指出超过上限的核心会塌成一颗几乎全由中子组成的星。

计算给出的参数荒唐得像笔误:一个太阳的质量压进直径约二十公里的球里,密度约每立方米 10¹⁷ 千克,一茶匙重十亿吨。

问题是它根本看不见。这样一颗星表面积极小,即使温度很高,光度也低到无法在星际距离上被探测。三十多年里,中子星停留在理论里,多数天文学家认为它就算存在也永远观测不到。

奥本海默与沃尔科夫 1939 年算出中子星也有质量上限,再往上就只能塌成黑洞——那时同样被当作纯粹的数学推演。

洞见时刻

1967 年秋,剑桥郊外一台用一千多根木桩和两百公里电线搭起来的射电望远镜,在纸带上留下了一小段谁也认不出的起伏。

那台望远镜本是用来看类星体闪烁的,输出是每天三十米的纸带,靠人眼一段段扫过去。可疑的那一小段只有四分之一英寸长,却既不像类星体,也不像地面干扰:它固定出现在天空的同一个位置,而且专挑夜里——类星体闪烁偏偏在夜里最弱。

11 月 28 日,把走纸速度提上去之后,信号露出了本来面目:一串脉冲,每 1.337 秒来一次,准得像节拍器。

麻烦恰恰在这个「准」上。已知天体没有一样能这么闪,而这种程度的规整在自然界里通常只有一个来源——人工。发现它的研究生乔斯林·贝尔和她的导师半开玩笑地把它记作 LGM-1:小绿人一号。

排除掉这个可能的是数量。圣诞前后,天空另外几个方向陆续找到了第二、第三、第四个同类信号。若干个互不相干的文明用同一种方式发报,说不通。

那是一类新天体。

涟漪效应

1968 年 2 月论文发表后,解释很快到位:一颗高速自转的中子星,磁场极强,磁极方向射出的电磁波束像灯塔一样扫过地球,每扫一次收到一个脉冲。

周期为什么能这么短、这么稳?因为角动量守恒。一颗恒星塌缩时半径缩小几万倍,自转速度相应暴涨;而中子星的转动惯量巨大、外界阻力极小,转速衰减极慢——已知最稳定的毫秒脉冲星,长期稳定度可与原子钟相比。

三十年前的纸上推演一夜之间变成了实物。中子星既然存在,比它更重的核心塌成黑洞也就不再是数学游戏——1971 年天鹅座 X-1 被认定为第一个黑洞候选体。

1974 年赫尔斯与泰勒发现了一颗与另一颗中子星互相绕转的脉冲星。这对星的轨道周期在按广义相对论预言的速率缩短,缩短的原因是引力波带走了能量。这是引力波存在的第一个证据,两人 1993 年获诺贝尔奖——比 LIGO 直接探测到引力波早了二十二年。

1974 年的诺贝尔物理学奖授予了休伊什与赖尔,未包括贝尔·伯内尔。这件事至今被广泛视为诺奖史上著名的遗漏之一。

如果没有它

今天已知的脉冲星有三千多颗,它们是宇宙里最精确的天然时钟。

用途相当具体:把分布在天空各处的毫秒脉冲星组成「脉冲星计时阵列」,监测它们的到达时间是否出现关联的微小起伏——那正是超大质量黑洞并合产生的低频引力波背景留下的痕迹,2023 年多个团队报告了初步证据。它们也是检验广义相对论在强场下是否成立的最佳实验室。

还有一件更长久的事。1972 年发射的先驱者 10 号带着一块金属板,上面刻着十四颗脉冲星相对太阳的方位与周期——如果有谁在极遥远的将来捡到它,可以靠这些钟反推出发射的时间与地点。人类留给宇宙的坐标,用的正是贝尔在纸带上认出来的那种信号。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.休伊什、贝尔等《对一个快速脉动射电源的观测》,《自然》第 217 卷第 709 页(1968)
  2. 2.钱德拉塞卡《理想白矮星的最大质量》,《天体物理学杂志》第 74 卷第 81 页(1931)——中子星存在的理论前提
  3. 3.查德威克《中子存在的可能性》,《自然》第 129 卷第 312 页(1932)