什麼是脈衝星？脈衝星有何意義？

相信大家通過網路已經對脈衝星有了初步的認識，它就是高速自旋的中子星，如圖１所示。那我今天重點講一下自轉周期為毫秒級的脈衝星（毫秒脈衝星）在空間導航中的意義。在近地軌道空間，全球導航衛星系統（GNSS）可以滿足地球表面設施、空間飛行器的米級導航精度。但當飛行器一旦進入深空，人類的測控手段就比較少了，地面站測控也存在著信號延遲等問題。實現深空航天器的完全自主導航是空間科學家的一個夢想。而毫秒脈衝星發出的穩定周期脈衝信號非常類似於GNSS觀測信息，不僅可以提供距離測量信息進行位置確定，而且周期信號中還包含了授時信息，這是天文導航所不能比擬的。

圖１脈衝星示意圖

儘管其最終要用於深空自主導航，但不同組織都不約而同地在近地軌道空間爭相開展脈衝星導航的實驗。2016年11月，中國航天科技集團發射了脈衝星試驗衛星（XPNAV-1），事後數據分析表明可提取X射線波段的蟹狀星雲（Crab）脈衝信號。2017年，中科院高能所和空間應用中心科研人員利用天宮二號上的伽馬暴偏振探測器（POLAR）觀測數據完成了我國首次脈衝星導航空間實驗，提取了Crab脈衝信號，如圖2所示，並進行了天宮二號的位置解算，精度達到10公里左右。

圖2 左圖：Crab星雲（圖片來自哈勃官網），右圖：POLAR對Crab脈衝星的觀測結果

美國NASA在X射線脈衝星導航方面的研究就更進一步了。NASA在國際空間站上開展了中子星內部組分探測研究（NICER），並在其中部署了X射線計時和導航技術驗證項目（SEXTANT）。該項目從2017年6月開始在國際空間站上開展在軌實驗，並於2017年底證實其成功完成首次空間在軌X射線脈衝星導航技術驗證。在軌定軌精度可達到5公里，如圖3所示，通過進一步調試，定軌精度有望達到1公里。同時還驗證了利用X射線脈衝星進行授時的可行性。所以未來X射線脈衝星觀測有望成為類似於GNSS的導航系統，服務於地月以遠的深空，甚至是太陽系外的飛行器。這就是脈衝星在導航方面的重大意義。

最後補充一句：我國天宮二號安裝的POLAR探測器並不是為脈衝星導航實驗專門設計的，測量的是高能段X射線，光子流量比較少，而且探測面積也不大，這也是在POLAR導航精度要稍差於SEXTANT項目結果的一個重要原因。

圖3 Crab脈衝星導航結果，位置精度優於5公里（來自於SEXTANT項目）

脈衝星，其實就是具有強大磁場且高速自轉的中子星。從它磁極發出的輻射隨著自轉會周期性掃過地球，使得我們觀測到短周期脈衝信號。中子星很小，半徑只有10公里左右，但其質量卻很大，通常有太陽的1.4倍那麼重。要改變這麼重的物體的運動狀態是很難的，所以中子星的自轉很穩定。原則上，如果不受其他因素影響，那麼我們就能看到脈衝星每隔固定的時間就發出一個脈衝信號。

自從1967年英國女天文學家貝爾在她的導師休伊什指導下發現首例脈衝星至今，人們又探測發現到的脈衝星約1000多顆，其中絕大多數是射電脈衝星。

科學家把射電脈衝星形象地解釋為「燈塔」效應，因為它們的輻射束會周期地掃過，所以地球上可接收到這種極有規律的節奏脈衝信號。這種周期性的脈衝就像人體的脈搏有規律的跳 動、脈衝周期有的只有幾十分之一秒，甚至更短；長的也只有三四秒，脈衝之名就由此而得。一般符號為「PSR 」，後面數字指它在天球上的赤道坐標「赤經和赤緯」。例如：PSR1919+21，指的是脈衝星位於赤經19h19m，赤緯+21°。

脈衝星剛發現還沒有證實時，人們還以為是外星人發來的訊號，「小綠人」的故事由此引發。天文學家通過繼續觀察認為，如果信號果真是「小綠人」發出的，他們應該居住在某個行星上，行星繞它的恆星「太陽」轉動，應該引起脈衝星間隔時間的變化，然而沒有觀測到這樣變化。到1969年1月底，進一步的觀測記錄和對以往記錄的詳細檢查使天文學家確信，另外有3個源也會發出類似的脈衝信號，於是「小綠人」的假說不成立。因為天上相距如此遙遠的4個地方的「小綠人」不可能會約好用同樣的頻波，向地球發信號的。隨後新的觀測事實進一步證實他們是發現了新的天體，那就是快速自轉的中子星的特例—脈衝星。

脈衝星的發現與研究取決於射電天文技術。有人認為脈衝星輻射的能量是靠消耗它自身的自轉能而來的，隨著脈衝星不斷地輻射能量，它的自轉則逐漸變慢，這就是脈衝星周期緩慢變長的原因。實際上，脈衝星上的能量轉化過程是十分複雜的，「自轉能」首先轉變為「低頻的磁偶極輻射 ，然後再轉化為「高能粒子的能量」和「電磁輻射的能量」，目前，關於這種能量轉化的機制人類還不十分清楚。

上海科技報科普問答主持人：主任記者 吳苡婷

所謂脈衝星就是高速旋轉的中子星。脈衝星會發出一種周期性的電波，一開始讓科學家誤認為是外星人發出的信號。它們事實上是一種體積小、質量大的晚期恆星的表現物。

如果用太陽做參照物，中子星的青年時代的體積比太陽大多了，是8-25倍太陽質量的恆星，太陽的個頭未來只能變成白矮星。這種大個頭恆星晚年時代在爆發坍縮過程中產生的巨大壓力，使它的物質結構發生巨大的變化。這種壓力大到什麼程度呢？物質中不僅原子的外殼被壓破了，連原子核也被壓破了。原子核中質子和電子擠到一起又結合成中子。所有的中子擠在一起，形成了中子星。

研究脈衝星的好處有很多，有一點我們普通人很能理解，那就是脈衝星是很像我們宇宙中的航海的燈塔，它非常準確，甚至超過了氫原子鐘，如果我們未來有能力進行星際旅行，這是一個很好的時間標準。

另外，脈衝星是一個強引力場研究的天然實驗室，愛因斯坦大量廣義相對論的預測，在那裡都能得到證實，比如引力波，所以受到基礎物理學家的廣泛重視，磁層粒子加速機制、高能輻射、射電輻射的研究，都可以通過對脈衝星的研究，取得收穫。

去年科學界有個大發現也和脈衝星有關係，過去人們認為貴金屬是是在超新星爆發中誕生的；超新星爆炸是恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。近期的發現表明兩個中子星的相撞是產生黃金等貴金屬的根本原因。值得一提的是這兩顆中子星碰撞是通過觀察引力波的特殊裝置發現的。

在天體研究領域，目前美國宇航局和其他科學機構都研究重心都放在了年份比較古遠的星體上，不過Kes 75卻是個例外。科學家利用NASA的錢德拉X射線天文台提供的數據，確認了Kes 75是銀河系中迄今已知最年輕脈衝星，為天文學家提供有關某些恆星如何走向生命終點的新信息。

在網站博文中，美國宇航局解釋了如何探測到脈衝星，並向我們展示了一幅非常驚艷的圖像數據。脈衝星是指一些巨大恆星耗盡核燃料後，會以超新星的形式坍塌和爆炸，留下被稱為「中子星」的密集恆星塊，而快速旋轉和高度磁化的中子星會周期性發射脈衝信號。

美國宇航局自2000年以來，就一直在追蹤Kes 75的發展情況。分別在2000年，2006年，2009年和2016年對這顆星進行了檢查，並繪製了隨著時間變化的趨勢圖。

美國宇航局解釋道：「在Kes 75這張合成圖像中，錢德拉觀測到的高能X射線呈現藍色的，突顯了脈衝星周圍的脈衝星風星雲；而低能X射線呈現紫色，顯示爆炸產生的碎片。」

脈衝星是中子星的一種，其名稱來源於周期性檢測到輻射脈衝。

目前為科學家廣泛認可的理論是燈塔理論。該理論認為電磁輻射是恆定的從磁極方向發射的，由於磁極和旋轉軸成一定角度，因而可以像燈塔一樣周期性旋轉向外輻射，而地球上觀測到輻射周期性掃過，就像脈衝一樣。

脈衝星研究主要集中在於脈衝的周期研究。其意義在於引力波研究和恆星全壽命研究。

由於脈衝星發射電磁輻射後，轉速會降低，據此可以研究天體的演變問題。另一方面由於毫秒級脈衝星周期非常小且非常穩定，非常小的變化都可以被檢測到，可以據此檢測引力波。