获得300万美元大奖的她 发现了什么星？
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编者按：
9月6日，今年的基础物理学特别突破奖颁给了英国天体物理学家乔瑟琳·贝尔·伯奈尔，以表彰她发现脉冲星、以及过去五十年间在科学界表现出的鼓舞人心的领导力。
脉冲星到底是一种什么星？它的发现有何意义？寻找系外行星、探测引力波又跟它有什么关系？
脉冲星是一类具有强大磁场且高速自转的中子星。从它磁极发出的辐射随着自转会周期性扫过地球，使得我们观测到短周期脉冲信号。中子星很小，半径只有10公里左右，但其质量却很大，通常有太阳的1.4倍那么重。要改变这么重的物体的运动状态是很难的，所以中子星的自转很稳定。原则上，如果不受其他因素影响，那么我们就能看到脉冲星每隔固定的时间就发出一个脉冲信号。
中子星大小示意图
不过，“原则上”的意思就是说：实际上并不是！现实中有许多的因素在影响着脉冲星脉冲信号的时间间隔。这些影响由近及远分别有地球自转、太阳系天体运动（主要是大行星的公转）、星际空间的变化、脉冲星周围可能存在的其他天体等。通过测量脉冲星脉冲到达地球的时间的变化，我们就能测出这些影响，并进而推测影响因素的物理特性。这种观测方式被称为“脉冲星计时”。在寻找行星和探测引力波时，脉冲星计时都发挥着重要的作用。
寻找X行星
认为太阳系存在未被发现的大行星的传闻流传已久。天文学家用笔算出海王星后，一度认为还存在一个位于海王星轨道之外的大行星。即使在冥王星发现之后，还是有人认为在冥王星之外还有大行星，否则不能很好地解释海王星轨道的变化。这颗行星就是传说中的X行星。虽然目前海王星的轨道问题已经解决，但仍有人根据其他的蛛丝马迹，提出X行星的猜测。在始终未能观测到X行星的当下，我们有什么方法可以推测X行星的存在与否呢？脉冲星计时就能给出证据！
上面说到，太阳系中的天体运动会影响脉冲星脉冲的到达时间。直观上的影响，行星的运动会改变太阳系质心位置，相当于太阳系发生了整体的移动，导致地球与脉冲星之间的距离发生改变。如果考虑相对论效应，不同位置的行星能产生不同的引力场，从而改变地球与脉冲星间的距离。对于已知的行星，我们能够计算出它们对脉冲的影响。在消除已知天体的影响之后，剩下的自然就是未知天体的影响。
太阳系主要天体运动示意图
2005年，美国普林斯顿大学的研究人员就用脉冲星计时测算过，结论是：在距太阳200天文单位（天文单位为地球与太阳之间的平均距离）之内，不存在木星质量大小的未知天体。如果今后用更高精度的脉冲星计时数据计算，应该能知道距离太阳60个天文单位之内（相当于柯伊伯带之内）有没有地球质量大小的未知天体。
寻找系外行星
我们能通过脉冲星计时来探测太阳系内有没有未知行星，那能不能探测脉冲星边上有没有行星在围绕着它转呢？当然可以了！其实这更多的是意料之外的结果。我们知道，中子星产生于超新星爆炸。超新星爆炸的能量是十分惊人的。一般认为经历过超新星爆炸之后，恒星周围的行星不太可能还安然无恙。但不管怎么样，脉冲星用事实告诉天文学家，它不仅可以有行星，还可以有好几颗行星！
在1990年的时候，波兰天文学家亚历山大·沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）使用阿雷西博望远镜发现了一颗毫秒脉冲星，名为B1257+12。通过对这颗脉冲星的脉冲星计时观测，沃尔兹森惊讶的发现，在去除已知天体的影响后，这颗脉冲星还受到另外的规律性影响，而最为合理的解释是：它有两颗行星！到了1994年，进一步的研究确认这颗脉冲星还有第三颗行星。这三颗行星就是人们最先发现的系外行星。其中最开始发现的两颗行星里，有一颗质量只有0.02倍地球质量，仅比月球稍大。这颗系外行星长期保持着“人类已知的质量最小的系外行星”的称号，直到2012年才被开普勒卫星的新发现打破。
B1257+12及其行星想象图
间接探测引力波
脉冲星周围的行星都能通过脉冲星计时观测到，那如果脉冲星边上有一颗恒星，岂不是更容易发觉了？早在1975年，当时还是学生的拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）就利用阿雷西博望远镜发现了首例处于双星系统中的脉冲星。通过脉冲星计时观测，可以知晓这颗脉冲星的伴星也是一颗中子星。只不过这颗中子星的辐射束不扫过地球，所以我们看不到它的脉冲信号。
这颗脉冲星和中子星伴星的质量都是1.4倍太阳质量左右。它俩最接近的时候，距离只有1.1倍太阳半径那么近！这样的双星系统会明显地因发射引力波而损失能量，结果就是双星系统的轨道会越来越接近，绕转周期越来越短。通过脉冲星计时观测，人们发现其轨道变化结果很好地符合了相对论的预言。这一工作让赫尔斯和他的导师约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
脉冲星及其伴星示意图。绿色网格表示周围引力场。
一个更精确的工作是澳大利亚科学家做出来的。2003年，澳大利亚的帕克斯望远镜发现了一个双脉冲星系统，就是相互绕转的两颗中子星的辐射束都扫过地球，即都是脉冲星。这两颗脉冲星之间的距离更近，相对论效应更强。由于引力波辐射导致的能量损耗，让它们之间每天要靠近7毫米。又因为这两颗都是脉冲星，通过脉冲星计时能够对它们的轨道变化做出更为精准的测量，最终得到结论：引力波理论预言的准确度达到99.95%！
脉冲星计时阵列直接探测引力波
除了上述对双星系统中的脉冲星进行计时观测，从而间接探测引力波之外，我们还能用“脉冲星计时阵列”来直接探测引力波信号。
等等，什么叫“脉冲星计时阵列”？
其实就是选几颗脉冲星，隔几天做一次脉冲星计时观测。也许有人会问，美国的激光干涉引力波天文台 （LIGO）不是已经探测到引力波，还拿了诺贝尔奖吗？为什么还需要脉冲星计时阵列来探测呢？
对于LIGO项目，简单来说，就是在两条相互垂直、长度达4公里的管道内通上激光。在引力波的影响下，这两条管道的长度会发生规律性的变化，导致激光干涉结果发生改变。换言之，通过测量激光干涉结果的变化，我们就可以捕捉引力波。
LIGO原理示意图
引力波探测项目远不止LIGO一个。另一个著名的计划是欧洲空间局主导的太空激光干涉仪（LISA）。这组探测器将用3颗卫星排布成边长为250万公里的等边三角形，并互相发射激光。与LIGO原理类似，若通过激光测量出卫星之间距离发生某种规律性变化，就能够捕捉到引力波的信息。中国科学院提出的空间太极计划和中山大学提出的天琴计划，也是类似的空间引力波探测项目。
LISA计划示意图
聪明的你也许已经能联想到了，脉冲星计时阵列探测引力波，其实就是把脉冲星当做信号源来测量脉冲星到地球之间距离的变化。如果我们发现多颗脉冲星同时发生某种规律性变化，那么我们就探测到引力波啦！
脉冲星计时阵列示意图。绿色网格代表受引力波影响而抖动的时空。
那究竟为啥我们需要脉冲星来探测引力波呢？
我们上面提到的LIGO、LISA还有脉冲星计时阵列，它们最大的区别是什么？
距离！
LIGO管道长度是4公里；LISA计划边长是250万公里；而脉冲星到地球之间的距离，一般要用“千秒差距”作单位。一千秒差距大约等于3亿亿公里（注意，并不是我手抖多打一个亿）。
这些大小不一的探测设备，其实是为了探测不同波长的引力波。而不同波长的引力波往往对应着不同的天文事件。比如，最小的LIGO探测的引力波波长最短，可以由双中子星合并、恒星级黑洞合并产生；LISA探测的引力波波长长一些，可能来自银河系内黑洞合并，或是超大质量黑洞与致密天体相互作用；脉冲星计时阵列观测的引力波波长更长，可以窥探星系中心黑洞合并事件。这样看来，用脉冲星计时阵列来探测引力波还是很有必要的。
使用脉冲星计时阵列探测引力波，需要经年累月地对多颗周期稳定的脉冲星进行观测，而直到目前还没能探测到引力波信号。对更多的脉冲星，做更高精度的观测，将使我们更容易探测到引力波。FAST作为世界最大的单口径射电望远镜，有望能够找到更多能够用来探测引力波的脉冲星。同时，我们将来也能用FAST对脉冲星计时阵列中的脉冲星做更好的观测。未来，FAST势必能够帮助科学家更好地探测引力波。此外，我国科学家一直在参与的国际共建的平方公里阵（SKA）和中国科学院新疆天文台提出的奇台110米射电望远镜（QTT）项目都在有条不紊地推进着。这些强大的设备，日后定能助力引力波的探测。
结语
利用脉冲星计时观测，我们小到可以发现比月亮略重的行星，大到可以探测两个星系中心黑洞合并事件。阿雷西博望远镜通过对脉冲星的计时观测间接探测到引力波，获得诺贝尔奖。兴许等到用脉冲星计时阵列直接测到引力波的那天，还能再拿一个诺贝尔奖呢？！
本文由科普中国融合创作出品，蕉叶制作，中国科学院计算机网络信息中心监制。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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