7 年超 1000 顆！“中國天眼”爲什麼要探測脈衝星？
近日，中國科學院國家天文臺射電研究部主任韓金林在 2025 科普中國說帶來演講《 7 年超 1000 顆！“中國天眼”爲什麼要探測脈衝星?》，一起探索星系演化的奧祕。
以下是韓金林的演講節選：
“中國天眼”建成後，主要的科學研究目標是探測銀河系的氫元素跟脈衝星。
爲什麼要探測脈衝星？這要從銀河系的恆星說起。你可能不知道的是，銀河系裏的每一顆恆星都是“活”的，都擁有完整的生命週期，會經歷誕生、演化直至死亡的全過程。這些恆星不斷新生與消亡，其中最亮的恆星勾畫出銀河系的旋渦結構。
銀河系呈扁平狀，擁有銀盤與銀暈，銀盤內存在大量氣體。這些氣體最初以氫原子形態存在，冷卻後會形成氫分子云（分子云），恆星便在分子云中誕生。恆星誕生後，會電離周邊氣體。恆星初始由氫、氦元素構成，後續逐步合成碳、氬、氮乃至鐵等元素，最終因質量不同，走向不同結局：質量超過 30 個太陽的恆星會形成黑洞；質量在 10-30 個太陽之間的恆星會形成中子星；質量小於幾個太陽的恆星則會形成白矮星。
中子星是一種特殊天體，密度極高、磁場極強，旋轉時會產生脈衝。銀河系內因此存在大量恆星死亡後經超新星爆炸形成的中子星。
圖片來源於韓金林PPT
1967-1968 年，英國 Hewish 教授及其學生通過無線電波陣發現了脈衝信號。這個波動跟地球上汽車開過去的干擾信號非常相似，但是 Hewish 教授的學生通過仔細觀察，發現了其中的細微區別，後來，他們發現這個信號會每天提前 4 分鐘到達——這是來自天上的信號和來自地球的信號的區別，最終確認它來自中子星，就是現在大家說的脈衝星。Hewish 教授也因此獲得諾貝爾獎。
圖片來源於韓金林PPT
自 1968 年脈衝星被發現以來，人類已經探索其諸多特性。作爲恆星死亡後的緻密天體，脈衝星處於極端物理環境中，密度、磁場、引力場極強，自轉速度也快得驚人——與太陽質量相當的脈衝星每秒轉速可達 700 圈——這表明其星體結構異常堅固。
不過，到目前爲止，儘管人類已經探測了 50 多年，仍然不太清楚銀河系當中究竟有多少個脈衝星或者多少個恆星死亡以後變成中子星，到目前也沒有明確銀河系中脈衝星的具體數量及其分佈。
在物理研究層面，過去認爲中子星由純中子構成，但有理論家提出中子可能分解爲夸克，中子星內部可能是夸克態。人類看到了脈衝星的輻射，但脈衝星如何產生輻射，即輻射物理機制也尚未明確。此外，脈衝星信號的傳播特性可用於探測銀河系星際介質；其穩定的自轉特性，還能輔助探測遙遠宇宙的引力波。
值得注意的是，銀河系內超三分之二的大質量恆星處於雙星系統。恆星死亡後，雙星系統中的兩顆星體仍會相互吸引、交換物質，最終可能形成兩顆中子星互相繞轉的系統。天文學家發現，這類雙中子星系統會逐漸靠近，最終合併，過程中會通過引力波輻射釋放能量。研究脈衝星的專家在 1993 年發現這類系統，獲得了諾貝爾獎，間接驗證了引力波輻射。這比引力波望遠鏡直接探測到引力波早了許多年。
圖片來源於韓金林PPT
脈衝星的極端環境還會引發特殊物理現象。其表面極強的磁場隨星體高速旋轉時，會產生強大感應電場，加速粒子並輻射 γ 光子； γ 光子在強磁場中還可能轉化爲正電子與負電子，光子沒有質量，正負電子有質量，因此實現“從無到有”的物質生成。
正因脈衝星蘊含大量待解的物理奧祕，全球所有大型射電望遠鏡均將其列爲探測目標。
圖片來源於韓金林PPT
在中國，南仁東等老一輩科學家推動建成了 FAST 。自 2016 年落成啓動到 2019 年實驗調試期間，FAST 調試團隊便發現了多顆脈衝星。2019 年 FAST 開啓“風險共擔”項目，經測試確認性能優異後，我們的科研團隊提出對 FAST 可觀測的銀河系區域進行全面巡天，希望找出區域內所有脈衝星。
爲進一步優化效率，科研團隊與 FAST 運行的技術團隊一起開發了“快速快照模式”，使得 FAST 觀測鄰近天體目標的切換時間從 10 分鐘縮短至幾秒，每次切換穩定幾秒後，就可以對每個天區點跟蹤觀測 5 分鐘，3 次切換形成一個觀測覆蓋區，我們稱爲一個 Cover 。
“ FAST 銀道面巡天”並不能隨時隨地都能巡測。FAST 位於山谷中，對 26.5 度附近天區觀測效果最佳，有點類似“坐井觀天”。科研團隊只能每天利用銀河經過觀測天區的數小時進行觀測。對觀測的天體目標進行 5 分鐘積分，使得觀測靈敏度比其他望遠鏡高一個量級。
截至目前，FAST 已發現超 1000 顆脈衝星。要知道，之前，全球各國用各類望遠鏡 55 年共發現約 3000 顆脈衝星，FAST 僅用數年便取得這一傲人成績。期待未來幾年，FAST 發現脈衝星數量望超越澳大利亞（他們因銀河在南半球天區，有觀測優勢），成爲“脈衝星發現之王”。
FAST 發現的脈衝星具有獨特價值：相比其他望遠鏡發現的脈衝星，FAST發現的脈衝星更闇弱（闇弱一個量級），填補了人類對銀河系闇弱脈衝星認知的空白。此外，FAST 還發現了很多偶然發脈衝的天體，佔比達到 15% ，遠超之前人們認知的 5% 。
基於新發現的脈衝星，科研人員可以做各種各樣的物理研究，比如說相對論理論的檢驗。科研人員觀測到一顆脈衝星處於相伴天體後方時，受後方伴星的強引力場影響，脈衝到達時間會出現延遲，即“夏皮羅延遲”， FAST 能夠測量到這一現象，且測量精度極高。我們已經測量了 6 例。
科研人員還發現了特殊的雙星系統。比如下圖的這顆脈衝星，它是一箇中子星與一個氦星組成的雙星系統。當氦星運行至脈衝星與地球之間時，會遮擋脈衝星信號，即掩食現象。
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該系統應該是雙星中先形成的中子星鑽到漲大的伴星裏面，然後剝去伴星的外層之後形成的。這是雙星演化理論中大家都認可的所謂公共包層演化環節，持續時間很短。雙星系統從公共包層演化階段形成後，生存時間也很短，因此極難發現。據南京大學教授的模擬，銀河系內這類系統僅數十個。未來兩顆星體將合併並釋放引力波。
除了發現新脈衝星，FAST 在脈衝星輻射難題的研究中也做出了重要貢獻。過去認爲部分脈衝星會“停止輻射脈衝”，但 FAST 觀測發現，這些“停止輻射”的階段仍存在極微弱的“矮脈衝”，這類矮脈衝，時間很短、強度很低，一般的望遠鏡很難觀測得很清楚。 FAST 已發現多個脈衝星有類似的輻射，爲已經脈衝星輻射的物理過程提供了重要基礎。
圖片來源於韓金林PPT
國際學界對 FAST 脈衝星巡天成果高度認可，認爲其取得了“非凡成就”。俄羅斯科學家感嘆，FAST 在其他望遠鏡多次探測過的一個小的區域，仍能發現兩百多顆脈衝星（目前已超1000顆），“讓人震驚”；邵逸夫獎得主Lorimer 教授評價，“ FAST 巡天註定是超越世界最成功的巡天”，其成果將“深刻影響”對銀河系中脈衝星和射電暫現源族羣的認知。
策劃製作
演講人丨韓金林 中國科學院國家天文臺射電研究部主任
責編丨楊雅萍
審校丨徐來、張林林
