号称“辐射之王”，中国天眼发现740多颗脉冲星，它们有何特殊？

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中国天眼FAST投入运行后不到三年的时间就发现了740多颗脉冲星，脉冲星是中子星中一类特殊的天体，号称“辐射之王”，它究竟有何特殊的地方的呢？

“中国天眼”FAST

中子星是什么

中子星是一些恒星生命历程的终点站，它们的组成粒子全是中子，而除黑洞之外绝大多数恒星基本上都是由氢氦等元素组成。

理论上恒星的终点有白矮星、中子星、夸克星和黑洞，但目前夸克星还尚未发现。

恒星演化历程

恒星的从诞生的那一刻起，就开始了聚变反应，它将在自己幼年阶段积累的氢和氦用于聚变的材料，在超高温高压条件下聚合成分子量更大的元素。

新生成的元素也跟着进行聚变反应，大致上沿着元素周期表按序号从小到大聚变，但越往后聚变所需要的压力和温度更高，聚变反应越难以往下进行，而且聚变是损失质量的，损失的越多越无法提供超强的高压，带来的结果便是恒星走向了演化的十字路口，但它终究往哪个方向走，是由它自己的质量决定的：若其质量小于8倍的太阳质量，它进入老年后会变成红巨星，之后再收缩成成一个不会发热的白矮星，太阳生命的终点就是变成白矮星。

白矮星

要是恒星的质量在10-29倍的太阳质量之间，则它进入中老年之后先变成红巨星，然后再死亡之前再次绽放一次，引起的超新星爆发将点燃数十万光年附近的宇宙，最后留下的残躯就是中子星，条件合适则进一步成为脉冲星。

超新星爆发图

倘若一颗恒星的质量大于30倍太阳质量的话，则这个恒星起初的演化过程和类似于中子星，只不过最后留下了一个黑洞。

猎户座局部，左上角的红色星星为参宿四

比如猎户座的参宿四，其质量为太阳的430多倍，天文学家推算它已经走向了生命的终点，如果我们幸运的话可能在不久的将来目睹其爆发成为一颗超新星的盛况，之后它将留下一个黑洞。

黑洞照片

人类自有文明以来就在进行天文观测，但中子星的发现却还不到60年，而且发现中子星也实属凑巧了。

乔斯林·贝尔博士

1967年，博士生乔斯林·贝尔在做实验时观测到了一个奇特的发现，她在太空中收到了一种非常有规律的脉冲电波，

电波的节奏和频率不像是自然发出更像人为的，这还让不少人误认为是外星人发出的。

乔斯林·贝尔博士当初记录的脉冲星信号

后来经乔丝琳的博士生导师、英国天文学家休伊什的研究之后才发现这个脉冲信号并非外星人发出，而是来源于一种能向外辐射脉冲波的天体，这种天体就是脉冲星。

休伊什教授，1923.5.11—2021.9.13

后经研究才知道 “脉冲星”其实就是当年苏联天文学家郎道预言中的中子星。

苏联物理学家郎道

1932年，查得维科发现了原子的次级组成结构——中子，中子属于电中性微子，质子带一个正电，但中子的质量比质子稍微大了一点。这之后引起了朗道的兴趣，后来朗道在他的研究中认为恒星在演化的终点可能完全由中子组成，由此预测出了中子星的存在。

未来变成红巨星的太阳

他认为：若恒星的质量足够大，其引力所产生的巨大压力可以超越原子内部的强大的斥力迫使物质的电子和质子强行结合成中子，郎道称这种恒星为“中子星”。

发现中子的查得维科爵士

简单来说可以用“四高一不稳”描述中子星：密度高、自转速度高、磁场强度高、逃逸速度高和温度不稳定。

中子星红外图

中子星的密度至少为一亿吨每立方厘米，相当于一勺子盛了一个珠峰的质量，如刚才所说，它是把原子的电子和质子强行结合到一块，有且仅有中子组成，因此其密度基本上等于原子核的密度大小。

黑洞吞噬中子星模拟图

原子体积大的原因在于外部电子运动空间大，可以认为原子属于“虚胖”，它基本上是空心的，而中子星则把这些空间填实了，因此密度特别大。

原子：红色为电子轨道，中间部分为原子核

恒星死亡之前是由于其聚变损失了质量，导致其引力不足不能再维持原有的聚变反应，其体积就会向外急剧扩胀，质量达不到要求的话就会重新塌陷缩回成为一颗不能产热的白矮星，再经过几亿年后白矮星的温度就会冷却下来，也不会再向外辐射能量而成为一颗黯淡无光的“钻石恒星”；但如果恒星的质量大于十倍太阳质量的话，红巨星就会引起超新星爆发，爆发后留下的残骸就是中子星。

超新星1987A

爆发后，超新星会向空间中抛洒物质损失一部分的质量，比如我们生活中的黄金其实是超新星制造出来的，但又因为角动量不变，所以最后留下的中子星的自转速度极高，一般情况下其自转速度平均每秒700多圈到几千圈不等。

中子星内部结构

地球磁场强度仅0.7高斯，中子星的磁场却高达数千亿高斯。中子星的磁场为何如此之高，天文界尚未有统一的、比较明确的回答，一种假设是：由于中子的磁矩很大，而磁矩越大越容易产生高磁场，所以在中子星极高的密度条件下将产生巨大的磁场。

脉冲星的磁场和脉冲波简图

中子星的还有一个特点是它的逃逸速度特别高。要想脱离中子星的引力场，一般需要10—15万千米每秒的速度，该速度接近于光速的一半。

中子星的逃逸速度位居第二，第一的是黑洞，其值已经大于光速值，所以光也无法从黑洞中逃出来。

脱离地球轨道示意图，速度越快距离地球越远

因此我们只能看到黑洞的“视界”，它的中心是无法看到的。

黑洞

中子星的还有一个特点是“不稳定”，主要表现在其温度不稳定，有的温度高达几百万度但有的仅有几百度。所观测到的脉冲星基本上属于温度比较高的，表面温度都在几百万开尔文左右，但目前观测到的绝大部分中子星温度普遍较低，中子星刚形成时温度很高，但时间久了向外流失的能量太多，

温度则渐渐地降了下来，有的表面温度仅有一百多开尔文。

中子星及其周围物质

以上的特点造就了中子星的特殊存在，更特殊的是有一类中子星被归类为 “脉冲星”，得名原因就是能够进行脉冲辐射。

脉冲星辐射图

脉冲星最有用的一点就是在宇宙中能“导航”，它所辐射出来的射线就好像多维坐标系的指示轴一样，因此天文学家常用脉冲星来确定天体的详细位置。比如NASA发出的两个“旅行者”探测器，都各自携带了一张金制圆盘，圆盘的上就可以地球在宇宙中的坐标，该坐标就是以多个脉冲星为参考系确定的。

旅行者二号金属唱片，左下角为地球坐标

除此之外脉冲星的另一个作用就是可以看作是宇宙中的时钟，一颗名为“J0437−4715”的脉冲星是目前发现自转周期最稳定的中子星，其周期误差不到亿亿分之一，略大于原子钟误差。脉冲星的周期稳定之强已经让它有资格建立自己的星历时间。

几个特殊的中子星介绍

1.天关客星——影响中外天文界的“名星”

“客星”是我国古代天文学家给超新星起的名字。北宋人杨惟德在观星时发现天关星（位于现在的金牛座）附近突然出现了一颗极度明亮的星星，他在书中描述客星“昼如太白”，意思是它在白天就能达到和金星相仿的亮度。

傍晚的金星

这颗超新星在一千年前昙花一现后无人问津，直到后来西方天文学家在它的遗迹中探测到了脉冲星电波。

宋书中关于“客星”的记载

后来经过天文学家的反复研究之后，才断定这是由一个脉冲星发出的电波，而现在这里只剩下了蟹状星云，天文学家认为这是当初超新星爆发后散落在宇宙中的残骸。

这一天文现象被记录在了中国史书当中，因此这颗中子星也算是见证了古今中外天文学家们穿越千年时空的交流。

蟹状星云

2.脉冲星与引力波

2017年10月17日科学界宣布探测到了引力波，引力波是爱因斯坦留下的预言之一，但在此之前还从未实际观测到过。

正在合并的脉冲星

这次探测动一共动用了70多个大型天文望远镜来观测“NGC4993”星系的两个中子星，它们是在一起联合观测千新星事件时顺便观测出的引力波。

“NGC4993”

“NGC4993”星系距离我们1.3亿光年当它俩碰撞的时候，地球还处于恐龙时代。

图中的波浪表示引力波

3.PSR B1257+12——首个带有行星系统的脉冲星

PSR B1257+12又称“巫妖星”，是第一个被发现有行星系的中子星，距离我们大约2300多光年。

巫妖星

它首先于1990年由波兰天文学家沃尔森发现，在此之前，以前天文理论认为只有处于盛年的恒星才会有行星，幼年和老年恒星是不会有行星的。

科学家分析巫妖星的行星之所以能保留下来是在其超新星爆炸的时候先被“吹走”，然后又被其引力再“拉回来”在新的轨道上公转，后来天文学家又在“巫妖星”的基础之上发现了数个具有行星系统的中子星。

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