宇宙“燈塔”照亮引力波探測新窗口

王培 張承民

近日，中科院國家天文臺500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）又有新突破。通過與美國國家航空航天局（NASA）的費(fèi)米伽馬射線衛(wèi)星共同合作，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)一個(gè)毫秒脈沖星并獲得國際認(rèn)證。這是中美科學(xué)裝置首次在地面和太空、射電與高能波段合作完成的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)，也是FAST繼發(fā)現(xiàn)脈沖星之后的另一重要成果。

毫秒脈沖星是每秒鐘旋轉(zhuǎn)上百圈的中子星。這顆編號為J0318+0253的毫秒脈沖星距離地球約4000光年，自轉(zhuǎn)周期為5.19毫秒。它對于研究中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、探測低頻引力波以及理解宇宙結(jié)構(gòu)形成及演化有著重要意義。

并非來自外星人的周期性信號

關(guān)于脈沖星，很多人已經(jīng)聽過它被發(fā)現(xiàn)的故事。

1967年，英國劍橋大學(xué)年僅24歲的研究生喬瑟琳·貝爾發(fā)現(xiàn)，狐貍星座方向的一顆星每隔1.37秒向地球發(fā)出一個(gè)電磁脈沖信號。其信號周期極其穩(wěn)定，科學(xué)家們甚至一度興奮地認(rèn)為找到了外星人存在的證據(jù)：周期性發(fā)出的電磁波，是外星“小綠人”向地球發(fā)出的信號。

不過對外星文明的盼望再熱切，也需要理性的科學(xué)驗(yàn)證。經(jīng)過一段時(shí)間的研究分析，科學(xué)家確認(rèn)周期性電磁信號來自一類新天體，并將它命名為脈沖星。

脈沖星實(shí)際是一顆快速旋轉(zhuǎn)的中子星。一部分恒星會在生命的終點(diǎn)發(fā)生一次劇烈的超新星爆發(fā)，并在中心留下一顆致密的球狀天體——中子星。這個(gè)質(zhì)量與太陽相當(dāng)、半徑只有10公里左右的天體，會攜帶恒星爆發(fā)后殘余的能量快速自轉(zhuǎn)，并沿著磁軸的方向向外以電磁波束的形式輻射能量。此時(shí)的中子星，就如同茫茫海洋中快速旋轉(zhuǎn)的燈塔，它發(fā)出的電磁波如同燈塔上迅速旋轉(zhuǎn)的光束。如果地球恰好處于電磁波束的“掃射”范圍內(nèi)，科學(xué)家就有可能觀測到來自太空的周期性電磁脈沖，也即找到一顆脈沖星。

脈沖星的發(fā)現(xiàn)，確定了中子星的存在及其與超新星爆發(fā)的關(guān)系，同時(shí)提供了在銀河系內(nèi)估計(jì)天體距離的新方法。它與類星體、宇宙微波背景輻射、星際分子一道，被稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)。

飛速旋轉(zhuǎn)的“小個(gè)子”

自1967年以來，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)2700多顆脈沖星。它們的自轉(zhuǎn)周期大多為數(shù)十毫秒至數(shù)秒不等。相比之下，毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)要快得多，幾毫秒的時(shí)間就能自轉(zhuǎn)一周。目前已發(fā)現(xiàn)的自轉(zhuǎn)最快的脈沖星每秒能旋轉(zhuǎn)716轉(zhuǎn)，周期僅為1.39毫秒。

對于毫秒脈沖星為何能轉(zhuǎn)得如此快，天文學(xué)家并未形成一致意見。主流觀點(diǎn)認(rèn)為它們原本是周期較長的脈沖星，在吸積伴星物質(zhì)的過程中不斷自轉(zhuǎn)加速而產(chǎn)生。這一加速過程通常長達(dá)百萬年，因此毫秒脈沖星也通常是年老的脈沖星。

要發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星并不容易。首顆毫秒脈沖星于1982年發(fā)現(xiàn)，至今共發(fā)現(xiàn)了300多顆這樣奇特的脈沖星，約占脈沖星總量的10%。它的發(fā)現(xiàn)不僅依賴于望遠(yuǎn)鏡高分辨的數(shù)據(jù)記錄，還需要高性能計(jì)算集群和人工智能等數(shù)據(jù)分析方法。此外，毫秒脈沖星的銀河系分布也是影響觀測的原因之一。正常脈沖星主要集中在銀道面，而毫秒脈沖星在銀河系空間的分布較為彌散，因此尋找它可謂披沙揀金，需要付出更多時(shí)間和艱辛。

中科院國家天文臺李菂團(tuán)隊(duì)在為FAST搜索毫秒脈沖星進(jìn)行準(zhǔn)備的過程中，重新處理了澳大利亞Parkes望遠(yuǎn)鏡長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，于2016年在杜鵑座47球狀星團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了兩顆新毫秒脈沖星，成為中科院團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)的新射電脈沖星。

有些毫秒脈沖星可能在包括伽馬射線和射電在內(nèi)的多個(gè)頻段輻射電磁波。FAST團(tuán)隊(duì)此次的發(fā)現(xiàn)，便利用了這一點(diǎn)。今年2月，F(xiàn)AST依照NASA費(fèi)米衛(wèi)星的大視場望遠(yuǎn)鏡所提供的待認(rèn)證伽馬射線點(diǎn)源3FGL J0318.1+0252位置，進(jìn)行了一小時(shí)的跟蹤觀測，通過仔細(xì)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)一顆新射電毫秒脈沖星J0318+0253。

值得一提的是，相對于這些毫秒脈沖星的伽馬輻射來說，它的射電輻射要弱得多，這對射電望遠(yuǎn)鏡提出了極高的靈敏度要求。此次發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星，是迄今已發(fā)現(xiàn)的射電輻射最弱的高能毫秒脈沖星之一。美國阿雷西博305米口徑的國際大型射電望遠(yuǎn)鏡過去曾對同一點(diǎn)源多次開展射電脈沖星搜索工作，但都未成功。

探索宇宙結(jié)構(gòu)形成的窗口

脈沖星與引力波有著密切的聯(lián)系。人類第一次證實(shí)存在引力波，便是通過包含脈沖星PSR1913+16的雙星系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)周期。它越來越慢的自轉(zhuǎn)，剛好符合愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的引力波效應(yīng)。

毫秒脈沖星的發(fā)現(xiàn)和觀測，為天文學(xué)家研究引力波提供了新的可能。

脈沖星堪稱宇宙中最穩(wěn)定的時(shí)鐘，其自轉(zhuǎn)極其穩(wěn)定，自轉(zhuǎn)周期一般約10億年變化一秒，媲美精準(zhǔn)的銫原子鐘?？茖W(xué)家設(shè)想，用數(shù)十顆計(jì)時(shí)性質(zhì)良好的毫秒脈沖星形成脈沖星計(jì)時(shí)陣，來探測引力波。當(dāng)有引力波事件發(fā)生時(shí)，引力波背景疊加在脈沖星測時(shí)觀測數(shù)據(jù)上，會表現(xiàn)為一種額外的“噪聲”，也即人們觀測到的脈沖星周期發(fā)生或長或短的變化。根據(jù)這種變化，結(jié)合脈沖星之間及其與地球的位置關(guān)系，可以得到引力波發(fā)生位置、波形、周期以及引力波源質(zhì)量等信息。

與LIGO等地面探測計(jì)劃以及LISA等空間探測計(jì)劃不同，脈沖星計(jì)時(shí)陣能探測到周期更長的引力波，其周期在幾年至十幾年之間。這類引力波被稱為低頻（納赫茲）引力波，它們源自星系中心1億到100億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞的并合過程。而脈沖星測時(shí)陣列是目前唯一的能夠直接探測低頻引力波的方法。由于超大質(zhì)量黑洞并合對于宇宙結(jié)構(gòu)形成和演化起著主導(dǎo)的作用，低頻引力波源的探測相當(dāng)于直接打開了探索宇宙結(jié)構(gòu)的引力波窗口。

目前，天文學(xué)家利用國際上幾個(gè)口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡，組成了三個(gè)脈沖星測時(shí)陣列，即歐洲的EPTA、澳大利亞的PPTA，以及美國的NANOGRAV。這三個(gè)項(xiàng)目又聯(lián)合成立了國際脈沖星測時(shí)陣列（IPTA），其靈敏度已經(jīng)逼近“發(fā)現(xiàn)”引力波的水平。

脈沖星搜索是進(jìn)行引力波探測研究的基礎(chǔ)。由于低頻引力波探測對于毫秒脈沖星的周期穩(wěn)定性、所在空間環(huán)境等有著嚴(yán)苛的要求，因此目前IPTA可利用的毫秒脈沖星共計(jì)50顆。而FAST項(xiàng)目組正在策劃的FAST多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天將發(fā)現(xiàn)大量毫秒脈沖星，大幅度提高脈沖星陣探測引力波的靈敏度。