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　　近日，中國科學(xué)院國家天文臺射電研究部主任韓金林在2025科普中國說帶來演講《 7年超1000顆！“中國天眼”為什么要探測脈沖星？》，一起探索星系演化的奧秘。

　　以下是韓金林的演講節(jié)選：

　　“中國天眼”建成后，主要的科學(xué)研究目標(biāo)是探測銀河系的氫元素跟脈沖星。

　　為什么要探測脈沖星？這要從銀河系的恒星說起。你可能不知道的是，銀河系里的每一顆恒星都是“活”的，都擁有完整的生命周期，會經(jīng)歷誕生、演化直至死亡的全過程。這些恒星不斷新生與消亡，其中最亮的恒星勾畫出銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)。

　　銀河系呈扁平狀，擁有銀盤與銀暈，銀盤內(nèi)存在大量氣體。這些氣體最初以氫原子形態(tài)存在，冷卻后會形成氫分子云(分子云)，恒星便在分子云中誕生。恒星誕生后，會電離周邊氣體。恒星初始由氫、氦元素構(gòu)成，后續(xù)逐步合成碳、氬、氮乃至鐵等元素，最終因質(zhì)量不同，走向不同結(jié)局：質(zhì)量超過30個太陽的恒星會形成黑洞；質(zhì)量在10-30個太陽之間的恒星會形成中子星；質(zhì)量小于幾個太陽的恒星則會形成白矮星。

　　中子星是一種特殊天體，密度極高、磁場極強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生脈沖。銀河系內(nèi)因此存在大量恒星死亡后經(jīng)超新星爆炸形成的中子星。

　　圖片來源于韓金林PPT

　　1967-1968年，英國Hewish教授及其學(xué)生通過無線電波陣發(fā)現(xiàn)了脈沖信號。這個波動跟地球上汽車開過去的干擾信號非常相似，但是Hewish教授的學(xué)生通過仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)了其中的細(xì)微區(qū)別，后來，他們發(fā)現(xiàn)這個信號會每天提前4 分鐘到達(dá)——這是來自天上的信號和來自地球的信號的區(qū)別，最終確認(rèn)它來自中子星，就是現(xiàn)在大家說的脈沖星。Hewish教授也因此獲得諾貝爾獎。

　　圖片來源于韓金林PPT

　　自1968年脈沖星被發(fā)現(xiàn)以來，人類已經(jīng)探索其諸多特性。作為恒星死亡后的致密天體，脈沖星處于極端物理環(huán)境中，密度、磁場、引力場極強(qiáng)，自轉(zhuǎn)速度也快得驚人——與太陽質(zhì)量相當(dāng)?shù)拿}沖星每秒轉(zhuǎn)速可達(dá)700圈——這表明其星體結(jié)構(gòu)異常堅固。

　　不過，到目前為止，盡管人類已經(jīng)探測了50多年，仍然不太清楚銀河系當(dāng)中究竟有多少個脈沖星或者多少個恒星死亡以后變成中子星，到目前也沒有明確銀河系中脈沖星的具體數(shù)量及其分布。

　　在物理研究層面，過去認(rèn)為中子星由純中子構(gòu)成，但有理論家提出中子可能分解為夸克，中子星內(nèi)部可能是夸克態(tài)。人類看到了脈沖星的輻射，但脈沖星如何產(chǎn)生輻射，即輻射物理機(jī)制也尚未明確。此外，脈沖星信號的傳播特性可用于探測銀河系星際介質(zhì)；其穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)特性，還能輔助探測遙遠(yuǎn)宇宙的引力波。

　　值得注意的是，銀河系內(nèi)超三分之二的大質(zhì)量恒星處于雙星系統(tǒng)。恒星死亡后，雙星系統(tǒng)中的兩顆星體仍會相互吸引、交換物質(zhì)，最終可能形成兩顆中子星互相繞轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這類雙中子星系統(tǒng)會逐漸靠近，最終合并，過程中會通過引力波輻射釋放能量。研究脈沖星的專家在1993年發(fā)現(xiàn)這類系統(tǒng)，獲得了諾貝爾獎，間接驗(yàn)證了引力波輻射。這比引力波望遠(yuǎn)鏡直接探測到引力波早了許多年。

　　圖片來源于韓金林PPT

　　脈沖星的極端環(huán)境還會引發(fā)特殊物理現(xiàn)象。其表面極強(qiáng)的磁場隨星體高速旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生強(qiáng)大感應(yīng)電場，加速粒子并輻射γ 光子； γ 光子在強(qiáng)磁場中還可能轉(zhuǎn)化為正電子與負(fù)電子，光子沒有質(zhì)量，正負(fù)電子有質(zhì)量，因此實(shí)現(xiàn)“從無到有”的物質(zhì)生成。

　　正因脈沖星蘊(yùn)含大量待解的物理奧秘，全球所有大型射電望遠(yuǎn)鏡均將其列為探測目標(biāo)。

　　圖片來源于韓金林PPT

　　在中國，南仁東等老一輩科學(xué)家推動建成了FAST 。自2016年落成啟動到2019年實(shí)驗(yàn)調(diào)試期間，F(xiàn)AST調(diào)試團(tuán)隊便發(fā)現(xiàn)了多顆脈沖星。2019年 FAST開啟“風(fēng)險共擔(dān)”項(xiàng)目，經(jīng)測試確認(rèn)性能優(yōu)異后，我們的科研團(tuán)隊提出對FAST可觀測的銀河系區(qū)域進(jìn)行全面巡天，希望找出區(qū)域內(nèi)所有脈沖星。

　　為進(jìn)一步優(yōu)化效率，科研團(tuán)隊與FAST運(yùn)行的技術(shù)團(tuán)隊一起開發(fā)了“快速快照模式”，使得FAST觀測鄰近天體目標(biāo)的切換時間從10分鐘縮短至幾秒，每次切換穩(wěn)定幾秒后，就可以對每個天區(qū)點(diǎn)跟蹤觀測5 分鐘，3次切換形成一個觀測覆蓋區(qū)，我們稱為一個Cover。

　　“ FAST銀道面巡天”并不能隨時隨地都能巡測。FAST位于山谷中，對26.5度附近天區(qū)觀測效果最佳，有點(diǎn)類似“坐井觀天”。科研團(tuán)隊只能每天利用銀河經(jīng)過觀測天區(qū)的數(shù)小時進(jìn)行觀測。對觀測的天體目標(biāo)進(jìn)行5 分鐘積分，使得觀測靈敏度比其他望遠(yuǎn)鏡高一個量級。

　　截至目前，F(xiàn)AST已發(fā)現(xiàn)超1000顆脈沖星。要知道，之前，全球各國用各類望遠(yuǎn)鏡55年共發(fā)現(xiàn)約3000顆脈沖星，F(xiàn)AST僅用數(shù)年便取得這一傲人成績。期待未來幾年，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量望超越澳大利亞(他們因銀河在南半球天區(qū)，有觀測優(yōu)勢)，成為“脈沖星發(fā)現(xiàn)之王”。

　　FAST發(fā)現(xiàn)的脈沖星具有獨(dú)特價值：相比其他望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的脈沖星，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)的脈沖星更暗弱(暗弱一個量級)，填補(bǔ)了人類對銀河系暗弱脈沖星認(rèn)知的空白。此外，F(xiàn)AST還發(fā)現(xiàn)了很多偶然發(fā)脈沖的天體，占比達(dá)到15% ，遠(yuǎn)超之前人們認(rèn)知的5% 。

　　基于新發(fā)現(xiàn)的脈沖星，科研人員可以做各種各樣的物理研究，比如說相對論理論的檢驗(yàn)。科研人員觀測到一顆脈沖星處于相伴天體后方時，受后方伴星的強(qiáng)引力場影響，脈沖到達(dá)時間會出現(xiàn)延遲，即“夏皮羅延遲”， FAST能夠測量到這一現(xiàn)象，且測量精度極高。我們已經(jīng)測量了6 例。

　　科研人員還發(fā)現(xiàn)了特殊的雙星系統(tǒng)。比如下圖的這顆脈沖星，它是一個中子星與一個氦星組成的雙星系統(tǒng)。當(dāng)氦星運(yùn)行至脈沖星與地球之間時，會遮擋脈沖星信號，即掩食現(xiàn)象。

　　圖片來源于韓金林PPT

　　該系統(tǒng)應(yīng)該是雙星中先形成的中子星鉆到漲大的伴星里面，然后剝?nèi)グ樾堑耐鈱又笮纬傻摹＿@是雙星演化理論中大家都認(rèn)可的所謂公共包層演化環(huán)節(jié)，持續(xù)時間很短。雙星系統(tǒng)從公共包層演化階段形成后，生存時間也很短，因此極難發(fā)現(xiàn)。據(jù)南京大學(xué)教授的模擬，銀河系內(nèi)這類系統(tǒng)僅數(shù)十個。未來兩顆星體將合并并釋放引力波。

　　除了發(fā)現(xiàn)新脈沖星，F(xiàn)AST在脈沖星輻射難題的研究中也做出了重要貢獻(xiàn)。過去認(rèn)為部分脈沖星會“停止輻射脈沖”，但FAST觀測發(fā)現(xiàn)，這些“停止輻射”的階段仍存在極微弱的“矮脈沖”，這類矮脈沖，時間很短、強(qiáng)度很低，一般的望遠(yuǎn)鏡很難觀測得很清楚。 FAST已發(fā)現(xiàn)多個脈沖星有類似的輻射，為已經(jīng)脈沖星輻射的物理過程提供了重要基礎(chǔ)。

　　圖片來源于韓金林PPT

　　國際學(xué)界對FAST脈沖星巡天成果高度認(rèn)可，認(rèn)為其取得了“非凡成就”。俄羅斯科學(xué)家感嘆，F(xiàn)AST在其他望遠(yuǎn)鏡多次探測過的一個小的區(qū)域，仍能發(fā)現(xiàn)兩百多顆脈沖星(目前已超1000顆)，“讓人震驚”；邵逸夫獎得主Lorimer教授評價，“ FAST巡天注定是超越世界最成功的巡天”，其成果將“深刻影響”對銀河系中脈沖星和射電暫現(xiàn)源族群的認(rèn)知。