近幾天，一則有關中國一口舉世聞名的 " 大鍋 " 的消息，上了各大新聞平台—— " 中國天眼 "FAST 已經發現了 883 顆脈沖星，并且計劃年内将這個數字刷新到 1000 顆。
圖片截自央視新聞頻道
那麽，脈沖星究竟是什麽？爲什麽要大費周章地找，找到以後又有什麽用呢？今天咱們就來仔細聊聊，順便再跟大家分享點關于 FAST 的小八卦。
脈沖星是指瘋狂閃爍的星嗎？
先說說 " 脈沖星 "。從地球看來，脈沖星是周期性地閃爍電磁脈沖的天體，脈沖間隔極短，從幾毫秒到上百秒不等。不過， 脈沖星并不是真的在閃爍 ，所謂脈沖，隻是脈沖星以發瘋般的速度旋轉造成的假象。
那脈沖星是怎麽來的呢？其實是恒星 " 内心拉扯 " 的結果。
我們肉眼能看到的 " 正常 " 恒星，内部都有 兩股力量在相互抗衡 ：引力驅使恒星物質向核心墜落，而核聚變釋放的能量則把物質向外推。
核聚變的燃料總有用完的一天，所以 引力總能最終赢得這場角力 。當一顆大質量恒星（例如，超過 8 倍太陽質量）最終耗盡所有燃料時，它就會向中心坍縮，發生猛烈的内爆，再向外彌散，迸發出一朵絢爛的 " 煙花 "。這個過程叫做 " 超新星爆發 "。
北宋至和元年（1054 年），金牛座的 " 天關 " 星宿附近爆發過一顆超新星，白天可見 23 天，夜晚可見 22 個月。這起超新星爆發被中國的天文學家記錄下來，史稱 " 天關客星 "。
塵煙散去，在恒星原來的位置，可能會留下一顆非常緻密的天體—— 中子星 。在其内部，原子結構不複存在，電子被壓入原子核，與質子結合爲中子。中子星的質量超過 1.4 個太陽，直徑卻隻有十幾公裏。換句話說， 每立方厘米的中子星物質，相當于全球人類的質量總和！
中子星還繼承了恒星殘餘質量的旋轉角動量。在同樣的角動量下，轉速與半徑的平方成反比。我們每每看到，冰舞運動員在旋轉時把雙臂收攏或舉到頭頂，就會猛然滴溜溜地轉得飛快。同理，當恒星坍縮爲中子星後， 轉速會成億倍地飙升。
脈沖星的射電脈沖掃過地球。Michael Kramer 制作
中子星具有強磁場，驅動其周圍的帶電粒子，發出強烈的射電輻射束，從它的兩個磁極噴湧而出。如果随中子星自轉的 輻射束正好掃過地球 ，我們就能測到周期性的射電脈沖，就好比某些迪廳的特效燈總是在轉圈圈，雖然燈光一直開着，但從一個方向看過去就時亮時暗。嗯，這麽一比喻，那脈沖星可以說屬于是恒星的遺體在自己墳頭蹦迪了 ……
前面提過的 天關客星 ，就留下了一顆周期 33 毫秒（ 每秒自轉 30 圈 ）的脈沖星，抛散出的漸冷煙花則是著名的 蟹狀星雲 。
蟹狀星雲。圖源 NASA
在全球發現的 3000 多顆脈沖星中，絕大多數是中子星，但 也有 2 顆是白矮星 （還保有原子結構的低質量恒星遺骸）：天蠍座 AR 和寶瓶座 AE。
FAST 可不是 " 快 " 的意思
大部分脈沖星在可見光波段沒有顯著輻射，而在射電波段看起來比較亮。幸運的是，在地球這邊，大氣層對射電波段相當優待，透明度極高，所以 射電望遠鏡特别适合在地面上觀測脈沖星。
地球大氣層對各波長電磁波的屏蔽。圖源 NASA
接下來就說說咱們的 FAST。
FAST 的名字來自 "500 米口徑球面射電望遠鏡 " （Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope） 的英文縮寫。這座巨型單碟射電望遠鏡坐落在貴州省平塘縣大窩凼 （dàng） ，依照喀斯特地貌的天然窪地而建，2011 年開工，2016 年落成，是目前 世界第一大的全口徑均有反射面的射電望遠鏡 （俄羅斯的 RATAN-600 口徑雖有 576 米，卻隻有細細一圈反射環）。
FAST 鳥瞰。圖源 FAST 官網
——順便說說，大家可能覺得 FAST 這個縮寫聽起來很酷，而全稱卻顯得太直白了。沒辦法，" 縮寫不明覺厲，全稱真沒創意 " 這是 天文界的傳統 ，比如 TMT 是 "30 米望遠鏡 "，VLT 是 " 甚大望遠鏡 "，ELT 是 " 特大望遠鏡 "，EELT 是 " 歐洲特大望遠鏡 "。韋布空間望遠鏡聽起來是不是還算正常？可它最初的名字其實是 " 下一代空間望遠鏡 "（相對于哈勃而言）……
爲什麽射電望遠鏡都這麽大？這是因爲在相同的分辨率需求下， 要觀測的波長越長，" 鍋 " 的口徑就得越大，不然就看不清了 。在紅外波段工作的韋布望遠鏡比主攻可見光的哈勃望遠鏡口徑要大（6.5 米 vs 2.4 米），而射電望遠鏡要觀測的波段，比這倆還要高 5、6 個數量級，那是真非往大了整不可了，口徑就是正義用在這裏是一點都沒錯。
細心的讀者可能還有兩個疑問：
①球面實際上無法将遙遠星光彙聚到單一焦點，得用抛物面才行，FAST 爲何要做成球面望遠鏡？
②一口大鍋這麽擺在地上，豈不是隻盯着天頂一點，就算随着地球自轉，也隻能掃描天頂所在的這個圓？
實際上，這是一個常見的誤解，也是科普的時候使用簡略類比帶來的負面影響。因爲形狀的關系，我們很喜歡把各類射電望遠鏡稱爲 " 鍋 "。但是這樣一來，我們的思維也會被誤導，容易覺得 FAST 也像咱們家炒菜的大鐵鍋一樣，硬邦邦一整個，形狀不會改變，但實際上，FAST 的身段靈活得很。
FAST 由 4450 片反射闆 拼成，通過電機驅動，這些反射闆能夠改變姿态，當一片區域的反射闆在統一指揮下規律地調整，就能在 " 鍋 " 裏泛起一片 " 漣漪 "，改變鏡面的形狀。
經 "FAST 之父 " 南仁東和團隊的計算，隻需和球面 偏離 0.47 米 ，就可以把口徑 300 米的球面 改成抛物面 ，把射電信号聚焦在一點。所以，在任意時刻，FAST 隻有一片 口徑 300 米 的圓形工作區域。通過反射闆的齊心協力地調整，這個工作區能在 " 鍋 " 裏自如 " 漂移 "，所以可觀測天區的範圍相當廣。
倘若保持完整的 300 米口徑，能從北緯 52.2°（工作區緊貼鍋南沿）觀測到南緯 0.6°（工作區緊貼鍋北沿）。如果願意犧牲一點有效口徑，則可以覆蓋北緯 65.8° 到南緯 14.2° 的天空。
FAST 光路，黃色虛線是抛物面工作區 · 圖源南仁東《FAST 項目介紹》
觀測脈沖星有什麽實際應用？
FAST 發現這麽多脈沖星，那麽觀測脈沖星有什麽實際應用？ 它的用處還真不少。
當脈沖星發來的信号穿越星際時，會被沿途的電離氣體阻礙，造成延遲。路程越長，電離氣體越多，遲到越厲害。如果知道了脈沖星離我們有多遠，再通過精密測量延遲的程度，就能反推信号沿途的 星際介質分布情況 。
影響脈沖星信号的還有磁場，當電磁信号經過磁場時，它的偏振屬性會被改變，磁場越強，改變幅度越大。測量信号的偏振，能夠反推信号沿途的 磁場分布情況 。
當超大質量天體擾動時空時，會産生引力波，改變脈沖星信号到達我們的時間。所以通過精确測量脈沖星周期的起伏，可以 探測引力波 。倘若能發現脈沖星 - 黑洞雙星系統，觀測一個穩定輸出的天體和一個扭曲時空的天體如何攪拌乾坤，就更能檢驗廣義相對論的預言，大大 推動基礎物理研究 。
脈沖星的自轉周期非常穩定，有些在長期表現上堪與原子鍾媲美，并且它們 " 永不斷電 "，可比原子鍾皮實多了。将脈沖星和原子鍾結合起來，可以建立 長時間穩定的精準時間系統，甚至用于星際導航。
旅行者 " 地球之聲 " 金唱片左下方以 14 顆脈沖星指示太陽系的方位。圖源 NASA
最後總結一下，FAST 和它發現的脈沖星們，會幫助我們更好地認識宇宙，而這些發現，說不定有朝一日還能夠幫助人類在星海中航行。
