宇宙“灯塔”照亮引力波探测新窗口

王培 张承民

近日，中科院国家天文台500米口径球面射电望远镜（FAST）又有新突破。通过与美国国家航空航天局（NASA）的费米伽马射线卫星共同合作，FAST发现一个毫秒脉冲星并获得国际认证。这是中美科学装置首次在地面和太空、射电与高能波段合作完成的天文学发现，也是FAST继发现脉冲星之后的另一重要成果。

毫秒脉冲星是每秒钟旋转上百圈的中子星。这颗编号为J0318+0253的毫秒脉冲星距离地球约4000光年，自转周期为5.19毫秒。它对于研究中子星内部结构、探测低频引力波以及理解宇宙结构形成及演化有着重要意义。

并非来自外星人的周期性信号

关于脉冲星，很多人已经听过它被发现的故事。

1967年，英国剑桥大学年仅24岁的研究生乔瑟琳·贝尔发现，狐狸星座方向的一颗星每隔1.37秒向地球发出一个电磁脉冲信号。其信号周期极其稳定，科学家们甚至一度兴奋地认为找到了外星人存在的证据：周期性发出的电磁波，是外星“小绿人”向地球发出的信号。

不过对外星文明的盼望再热切，也需要理性的科学验证。经过一段时间的研究分析，科学家确认周期性电磁信号来自一类新天体，并将它命名为脉冲星。

脉冲星实际是一颗快速旋转的中子星。一部分恒星会在生命的终点发生一次剧烈的超新星爆发，并在中心留下一颗致密的球状天体——中子星。这个质量与太阳相当、半径只有10公里左右的天体，会携带恒星爆发后残余的能量快速自转，并沿着磁轴的方向向外以电磁波束的形式辐射能量。此时的中子星，就如同茫茫海洋中快速旋转的灯塔，它发出的电磁波如同灯塔上迅速旋转的光束。如果地球恰好处于电磁波束的“扫射”范围内，科学家就有可能观测到来自太空的周期性电磁脉冲，也即找到一颗脉冲星。

脉冲星的发现，确定了中子星的存在及其与超新星爆发的关系，同时提供了在银河系内估计天体距离的新方法。它与类星体、宇宙微波背景辐射、星际分子一道，被称为20世纪60年代天文学四大发现。

飞速旋转的“小个子”

自1967年以来，天文学家已发现2700多颗脉冲星。它们的自转周期大多为数十毫秒至数秒不等。相比之下，毫秒脉冲星的自转要快得多，几毫秒的时间就能自转一周。目前已发现的自转最快的脉冲星每秒能旋转716转，周期仅为1.39毫秒。

对于毫秒脉冲星为何能转得如此快，天文学家并未形成一致意见。主流观点认为它们原本是周期较长的脉冲星，在吸积伴星物质的过程中不断自转加速而产生。这一加速过程通常长达百万年，因此毫秒脉冲星也通常是年老的脉冲星。

要发现毫秒脉冲星并不容易。首颗毫秒脉冲星于1982年发现，至今共发现了300多颗这样奇特的脉冲星，约占脉冲星总量的10%。它的发现不仅依赖于望远镜高分辨的数据记录，还需要高性能计算集群和人工智能等数据分析方法。此外，毫秒脉冲星的银河系分布也是影響观测的原因之一。正常脉冲星主要集中在银道面，而毫秒脉冲星在银河系空间的分布较为弥散，因此寻找它可谓披沙拣金，需要付出更多时间和艰辛。

中科院国家天文台李菂团队在为FAST搜索毫秒脉冲星进行准备的过程中，重新处理了澳大利亚Parkes望远镜长期监测数据，于2016年在杜鹃座47球状星团中发现了两颗新毫秒脉冲星，成为中科院团队首次发现的新射电脉冲星。

有些毫秒脉冲星可能在包括伽马射线和射电在内的多个频段辐射电磁波。FAST团队此次的发现，便利用了这一点。今年2月，FAST依照NASA费米卫星的大视场望远镜所提供的待认证伽马射线点源3FGL J0318.1+0252位置，进行了一小时的跟踪观测，通过仔细数据分析，发现一颗新射电毫秒脉冲星J0318+0253。

值得一提的是，相对于这些毫秒脉冲星的伽马辐射来说，它的射电辐射要弱得多，这对射电望远镜提出了极高的灵敏度要求。此次发现的毫秒脉冲星，是迄今已发现的射电辐射最弱的高能毫秒脉冲星之一。美国阿雷西博305米口径的国际大型射电望远镜过去曾对同一点源多次开展射电脉冲星搜索工作，但都未成功。

探索宇宙结构形成的窗口

脉冲星与引力波有着密切的联系。人类第一次证实存在引力波，便是通过包含脉冲星PSR1913+16的双星系统的自转周期。它越来越慢的自转，刚好符合爱因斯坦广义相对论所预言的引力波效应。

毫秒脉冲星的发现和观测，为天文学家研究引力波提供了新的可能。

脉冲星堪称宇宙中最稳定的时钟，其自转极其稳定，自转周期一般约10亿年变化一秒，媲美精准的铯原子钟。科学家设想，用数十颗计时性质良好的毫秒脉冲星形成脉冲星计时阵，来探测引力波。当有引力波事件发生时，引力波背景叠加在脉冲星测时观测数据上，会表现为一种额外的“噪声”，也即人们观测到的脉冲星周期发生或长或短的变化。根据这种变化，结合脉冲星之间及其与地球的位置关系，可以得到引力波发生位置、波形、周期以及引力波源质量等信息。

与LIGO等地面探测计划以及LISA等空间探测计划不同，脉冲星计时阵能探测到周期更长的引力波，其周期在几年至十几年之间。这类引力波被称为低频（纳赫兹）引力波，它们源自星系中心1亿到100亿倍太阳质量的超大质量黑洞的并合过程。而脉冲星测时阵列是目前唯一的能够直接探测低频引力波的方法。由于超大质量黑洞并合对于宇宙结构形成和演化起着主导的作用，低频引力波源的探测相当于直接打开了探索宇宙结构的引力波窗口。

目前，天文学家利用国际上几个口径最大的射电望远镜，组成了三个脉冲星测时阵列，即欧洲的EPTA、澳大利亚的PPTA，以及美国的NANOGRAV。这三个项目又联合成立了国际脉冲星测时阵列（IPTA），其灵敏度已经逼近“发现”引力波的水平。

脉冲星搜索是进行引力波探测研究的基础。由于低频引力波探测对于毫秒脉冲星的周期稳定性、所在空间环境等有着严苛的要求，因此目前IPTA可利用的毫秒脉冲星共计50颗。而FAST项目组正在策划的FAST多科学目标同时巡天将发现大量毫秒脉冲星，大幅度提高脉冲星阵探测引力波的灵敏度。