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小谷围讲坛第152期——星星点“灯”

发布人:蓝苑婷 来源:南方都市报 日期:2015-12-21 11:28:54.0
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他们是谁

 

代实毕业于北京大学天文学系,目前在澳大利亚联邦科学与工业研究组织天文与空间科学研究所(CASS)开展博士后研究,主要从事脉冲星物理和引力波探测的研究。

RobertHollow是澳大利亚联邦科学与工业研究组织天文与空间科学研究所(CASS)教育官员,澳大利亚天文学会教育与科普分会主席,致力于推动多种天文教育项目。

                           

脉冲星计时阵示意图,绿色网格代表时空的波动,黄色线代表脉冲星到地球距离。图片来自德国马克斯普朗克射电天文研究所的David Cham-pion博士。

  

州一处喀斯特山地中在建的FAST射电望远镜“天眼”,其直径达到了500米

      

澳大利亚Parkes望远镜

还记得美国在上世纪70年代发射的,无人探测器先驱者10号、11号吗?当探测完木星和土星后,无人探测器飞向了太阳系外,上面携带了美国著名天文学家、科幻小说作家卡尔•萨根设计的“地球名片”。这张携带着地球信息的“名片”,靠什么定位自己所在的太阳系,它使用的“语言”就是用脉冲星描述的,显示了太阳相对于银河系中14颗脉冲星的位置。

脉冲星是什么,为什么在宇宙中具有导航的作用?12月13日,年轻天文学者代实和澳大利亚天文科普教育官员Robert Hollow,做客由广东科学中心与南方都市报主办的小谷围科学讲坛,分享他们有关脉冲星的发现故事和研究状况。

意外发现的宇宙电波

1967年的一天,英国剑桥大学的24岁女博士生乔斯琳•贝尔在用一些“晾衣杆”一样的设备寻找一种发出无线电波的遥远星系———类星体。结果,她意外地探测到一些周期性很强的脉冲信号,1.33秒出现一次。当时,没有其他人曾经观测到这种情况。

她去找自己的导师,一个非常有名的天文学家。但导师认为,这个不可能,天体怎么会发出周期这么短的信号呢?这个肯定是地面上什么东西发出的,让她不用管这些。可是乔斯琳•贝尔很坚持,一直没有放弃对这种特殊信号的观测。最终,人们终于意识到,这是一种特殊天体发出的非常稳定的周期性信号,也就是“脉冲星”。当时,这些信号被一度猜测为外星文明的信号,引起了很大的轰动。这个发现在1974年获得了诺贝尔物理学奖。但得奖的是乔斯琳•贝尔的导师安东尼•休伊什教授,人们一直对贝尔未能获奖颇有微词。代实讲完这个故事说,“我们研究脉冲星的人都觉得,贝尔非常的不容易,我们非常尊重她的贡献,这个发现真正开启了脉冲星,或者说中子星研究领域”。

脉冲星跟中子星是什么关系?说到中子星,许多人或多或少都听说过,它是宇宙中密度最大的一种发光天体,但它不是从实际观测中得名的。“中子”(即组成原子核的核子之一)最初被发现是在1930年代,发现仅一年后,就有科学家提出假设:有一种天体,全由中子构成,密度极大。它们有多致密?“一个橡皮头大小的中子星物质,质量能达到10亿吨,比全世界的人加起来的重量都重”,代实说。

30多年后脉冲星被发现,人们想到了,脉冲星应该就是假设中的“中子星”,“你可以想像,一个天体,一秒钟能转好几圈,它是什么样子?如果是像太阳那样的,它转这么快肯定就转‘散’了,因为离心力太强,但如果是‘ 中子星’那样比太阳致密很多的天体,才是有可能存在的”。可以说,脉冲星的发现,也证实了科学家假设的中子星的存在,使人们对茫茫宇宙的认识又增进了一大步。

已发现的脉冲星多在银河系

脉冲星为什么能发出周期性的“脉冲”呢?这与它的磁场有关。中子星自转产生的磁场,其磁力线大部分是闭合的,粒子沿着磁场跑,不会跑出去,但在两个磁极附近的磁力线是开放的,会有粒子跑出去。

同时,两个开放的磁极区有一定宽度。可以想像,粒子的辐射就像“灯塔”射出的光束,随着中子星的自转在宇宙中旋转、发“光”(其实是无线电波,而不是可见光)。当转到某个角度,这些信号被地球上的探测仪器接收到,人们就像是看到了宇宙中“灯塔”的“光”,也就是脉冲星的“脉冲”。脉冲星也因此被称为宇宙中的“灯塔”。由于脉冲星自转的周期相对稳定,人们探测到的“脉冲”周期也是有规律的。

数十年来,天文学家已探测到2500多颗脉冲星的信号,根据它们特性的不同分成了十余个品种,并幽默地称其为“脉冲星动物园”。其中有一些有趣的、特殊的品种,它们的信号时隐时现。例如有一些个别的“极品”,会持续辐射几天,然后消失得无影无踪,几十天后又再次出现。

“动物园”里的脉冲星们,绝大部分散布在银河系中。最近的离地球也有500多光年,它们的质量介于一到两倍太阳质量之间。最慢的十几秒转一圈,最快的每秒转动716圈,比F1赛车发动机的最高转速还要快将近两倍。最近十年,人们也在银河系的近邻,16万光年远的大麦哲伦星系和20万光年远的小麦哲伦星系中发现了几十颗脉冲星。这使得人们相信宇宙中有许多的脉冲星。会有多少呢?目前没有定论。仅以银河系为例,其中有一千亿颗恒星,即便考虑只有少部分已经演化成中子星,并且只有部分中子星发出较强的脉冲信号,脉冲星的数量仍然可能是惊人的。目前发现的只是其中很小一部分。

星际旅行要靠脉冲星定位

对于天文学家、物理学家来说,对引力波、广义相对论的研究十分诱人。但对普通公众来说,利用脉冲星来进行“星际导航”,对于普通人更容易理解、更“实用”。这项研究也已进行了三十余年。怎样用脉冲星“导航”?最关键的仍是它周期稳定的脉冲信号。

在地球上,人们利用GPS或者中国的北斗系统来导航,这些是人们发射到地球周边的卫星,它的定位功能也局限在地球周边。如果人们要去火星,或者在其他更远的星星之间“旅行”,拿什么定位、导航?

理论上讲,三颗脉冲星就能搞掂。脉冲星的位置都离太阳系非常遥远,相对太阳系来说,位置基本是固定的。那么,在太阳系附近,人们可以去根据“脉冲”信号到达时间计算自己位置到某颗脉冲星的距离。若有三颗脉冲星做定位参考,就能把自己的位置精确到一公里的范围内,“要是同时关注很多脉冲星的话,基本就像用GPS定位一样了”。目前,地球上用来探测脉冲星的射电望远镜都十分巨大。例如,澳大利亚那个发现了现有一半多的脉冲星的Parkes望远镜,其直径有64米,中国在建的FA ST望远镜,直径有500米。

若真要用宇宙飞船进行“星际旅行”,当然不可能带这么大的望远镜,但也不是没有办法,可以带上体积较小的X射线望远镜。目前,多个国家都在进行此项研究。在目前的“脉冲星动物园”中,约有140多颗脉冲星具有良好的X射线周期辐射特性,可以作为导航候选星。新闻报道显示,美国国家航空航天局(N A SA )已于2013年开始建造测试平台,模拟脉冲星发射脉冲,同时对下一代X射线导航技术进行测试和论证。

揭秘

如何利用脉冲星捕捉“引力波”

对脉冲星的研究进行了四五十年,人们对它的了解有限,并不清楚它内部是什么样,不清楚它的辐射机制如何。但观测数据告诉人们,脉冲星中的一部分,自转周期短于几十毫秒的“毫秒脉冲星”,其自转周期相当稳定,可以看作一只非常准的时钟,其中的一些比地面上最精确的原子钟“走时”还准。有多准?代实给出了两颗脉冲星的观测数据,以秒为单位,小数点后面还有十几个零,也就是说能够达到百万亿分之一秒的精度。

毫秒脉冲星“小误差”背后可能是时空扰动

不过,受到许多因素的影响,脉冲星的脉冲信号到达地球的时间会有微小的不同,有的可以小到几十纳秒。对于普通人而言,这一丁点的不完美,不影响它成为一个超准的“钟”。但对于科学家来说,这些微小的“误差”后面,隐藏着重大的科学发现的机会,即捕捉“引力波”的可能。“引力波”是什么?它是爱因斯坦的广义相对论提出的,通俗地讲,是物质运动导致的时空波动,“这种时空的扰动,就像是宇宙中的一张‘蹦床’,或者一张被抖动的‘床单’”。理论上讲,宇宙中有很多过程会产生引力波辐射,如宇宙诞生早期的暴胀过程、超新星爆发、星系中心双黑洞的绕转、两个中子星的绕转和碰撞等等。

但是,引力波和物质的作用极其微弱,虽然一个中子星双星系统产生的引力波已被间接证实存在———1974年,美国物理学家约瑟夫•泰勒和拉塞尔•赫尔斯首次发现一个双星系统,两颗中子星亲密环绕并变得越来越接近,由于其轨道变化与相对论的预测完全吻合,两名科学家认为,能量正在以引力波的形式释放———这项研究还获了1993年诺贝尔奖,但引力波本身还没有被实际探测到。

贵州在建“天眼”有望找到更多毫秒脉冲星

脉冲星怎样帮人们捕捉“引力波”?有一部分脉冲星的周期稳定,且部分外在影响因素,如银河系的星际介质、地球公转的影响等,已被人们掌握。人们可以建立一个模型,预测它未来的脉冲周期。如果人们实际探测到的信号,与计算出的数据吻合,就可以排除未知因素的影响。但如果实际探测到的数据与计算出的不吻合,这其中很可能就有引力波在作祟,人们就可能从中提取到引力波的信号。

这些周期稳定的脉冲星,就是自转周期短于几十毫秒的“毫秒脉冲星”,由多个毫秒脉冲星组成的阵列叫做脉冲星计时阵。目前,国际脉冲星计时阵(IPT A )长期监测的毫秒脉冲星有40多颗,在银河系中编织了一道“天网”。如今,引力波探测已成为脉冲星研究领域最火热的课题,“基本全世界的望远镜都在进行这个研究”,这其中就包括了中国贵州一处喀斯特山地中在建的FA ST射电望远镜“天眼”,其直径达到了500米。对于捕捉引力波的前景,国际上相当一部分从事计时阵引力波探测的天文学家持乐观态度。在未来一二十年内,脉冲星计时阵将能够捕捉到星系中心双黑洞等天体发出的低频引力波。FA ST望远镜将有希望寻找到更多守时精准的毫秒脉冲星,在引力波探测中发挥重要作用。

延展阅读

还记得《三体》中的“红岸基地”吗

这些“来自星星的电波”拿什么来探测?射电望远镜。射电望远镜是什么?还记得《三体》中的“红岸基地”吗?那就是一架射电望远镜。研究脉冲星,需要先接收、记录大量的脉冲星发出的射电信号,就需要依靠射电望远镜。射电望远镜不同于光学望远镜,它可以探测宇宙中的各种无线电波,而不像光学望学镜,只能对付电磁波中只占小部分的可见光。

世界上不少国家都建造了体量巨大的射电望远镜,基本都在人烟稀少的地方,以避免人群聚居区的各种电磁信号的干扰。对单天线射电望远镜来说,天线“锅”的直径越大,分辨率就越高。中国贵州的FAST望远镜建成后,将以500米的直径成为世界上直径最大的单天线射电望远镜。这块望远镜的天线“锅”面建在一个喀斯特山洼中,由1000多块三角形的反射面板组成,预计明年9月建成。

单体望远镜毕竟不可能做得太大,科学家们还在研究建造多个小望远镜组成的阵列,将可以从更大尺度上去研究宇宙。代实本人也是“平方公里射电阵(缩写为SKA)”项目的成员,他介绍,SKA将由建造在澳大利亚和南非的数千个较小的天线组成,大约2030年投入使用,将会成为人类有史以来最大的望远镜。

读过科幻小说《三体》的朋友可能记得,故事的前半段中射电望远镜出现了很多次。最让人印象深刻的是,叶文洁工作过的“红岸基地”其核心就是大兴安岭中一架巨大的射电望远镜。叶文洁故意暴露地球坐标、改变地球命运,就是借助了这个基地的发射功能。当然,在小说中,“红岸基地”建立的初衷也比现实中更具有科幻色彩。而现实中的射电望远镜,功能更为多样,除了探测外星文明,它在深空探测、了解宇宙构成等方面已发挥了巨大作用。

统筹:陈实 陈养凯

采写:南都记者 李文

(注:特别感谢广州大学天体物理中心王洪光教授提供的背景资料,以及为本文采写提供帮助)