[科普中国]-“天眼”首批科学成果公布

2019年5月，使用天眼望远镜FAST观测数据得到的第一批科学成果正式出炉，在国际刊物《中国科学：物理学 力学 天文学（英文版）》上刊印发表，并在著名的斯普林格-自然出版集团相关网站在线发表。

这一批成果包括了使用FAST对三颗射电暂现源（J1538+2345，J1854+0306和J1913+1330）[1]、脉冲星B0919+06[2]，和脉冲星B2016+28[3]的观测研究，以及对FAST发现的第一颗未知脉冲星J1900-0134发现过程的介绍[4]。展示了FAST高灵敏度、频率覆盖宽的优势，取得了一些新的研究成果。

关于脉冲星J1900-0134的研究成果则于近日在著名的美国天文学期刊《天体物理学报》上发表[5]。该成果认为这颗脉冲星的行为挑战了传统的“旋转木马模型”。

FAST****发布的第一批科学成果，都是脉！冲！星！

今天就让作者我化身灵魂画手，再来聊聊脉冲星。

脉冲星：拿着“手电筒”旋转跳舞的星

脉冲星示意图（图片来源：作者自制）

脉冲星是磁极辐射束随自转而周期性扫过地球的中子星。一般认为中子星和我们的地球一样，绕着自己的自转轴自转，有南北两个磁极，且自转轴和磁轴通常并不重合。中子星磁极处会发出强烈的电磁辐射。形象地说，中子星就如同一个双手拿着强光手电，一边旋转跳舞的人。手电发出的光束会随着中子星的自转在宇宙中不停地扫射，如果刚好能扫过地球，那我们就称这颗中子星为脉冲星。

脉冲星“手电筒”里装着什么样的“灯泡”？

不同的手电筒照射出不同的光斑（图片来源：作者自制）

那么问题来了，脉冲星拿着的“手电筒”是啥样的呢？现实生活中的手电筒多种多样，有单个灯泡的，也有多颗LED的。光源不同，照射出来的光斑也不一样。所以，在我们只能看到手电筒的光，而看不到灯泡安装情况的时候，我们可以通过光斑的样子来推测灯泡安装的情况。对于脉冲星来说也是这个道理。

单个灯泡手电筒晃过我们时看到单峰形式的光度变化（图片来源：作者自制）

最简单的例子，天文学家观测到一些脉冲星的亮度变化是一个简单的脉冲，或者叫单峰脉冲。于是我们可以推测这些脉冲星拿着一支只有一个“灯泡”的“手电筒”，这样在手电的光扫过地球的过程中，人们看到的就是一个单峰脉冲。但一些脉冲星有两个峰值。对于双峰的情况，只有一个普通“灯泡”的说法就解释不了了。

环形灯泡晃过我们时会看到什么样的光度变化呢？（图片来源：作者自制）

天文学家根据物理规律，认为脉冲星的“手电筒”里装的可能是一颗环形的“电灯泡”，照射出来的光斑也是环形的。这种情况下地球人会看到什么样的一个脉冲呢？这还得分情况看。

环形灯泡发出的光斑以不同部分晃过我们，会让我们看到单峰或者双峰形式的光度变化（图片来源：作者自制）

脉冲星“手电筒”投影出来的光斑是很大的，比地球大。所以一个环形的光斑，从不同的位置扫过地球的话，我们看到的亮度变化也是不一样的。

如果是光环边缘扫过地球，那我们看到的亮度变化就只是一个单峰。

如果是光环中间扫过地球，那我们就能看到先变亮、再变暗、又变亮，最后变暗这样一个过程，对应光度变化是双峰的。

看，这个“环形灯泡”模型能够同时解释为什么有些脉冲星是单峰脉冲，而有些却是双峰脉冲。多好的一个模型。

单颗“灯泡”是不够的

然而脉冲星并没有那么简单。我们看到的脉冲形态（也就是上面说的光度变化的形态）不止单峰、双峰形式，还有些脉冲星的脉冲形态是三峰、四峰或者五峰！

“核锥模型”（上）和“补丁模型”（下）示意图（图片来源：作者自制）

天文学家再次根据物理规律，认为脉冲星“手中的手电筒”可能是以下两种情况之一：

第一种解释是：“手电筒”中间有一颗灯泡，再套两圈环形灯泡。学术上称为“核锥模型”，其中中间的“灯泡”是“核”，外面的“环状灯泡”是“锥”。

第二种解释是：“手电筒”中散乱地安装着多颗灯泡。因为跟打补丁似的，所以学术上称其为“补丁模型”。

不管我们看到的是一个还是多个峰的脉冲形态，这两种模型都能解释。也就是说，所有脉冲星其实都拿着一样的“核锥手电筒”或者“补丁手电筒”。只是由于光束扫过地球的位置不太一样，导致我们看到有些脉冲星的脉冲形态是单峰的，有些是多峰的。

“灯泡”的状态也可能发生变化

然而脉冲星还是没那么简单！一般情况下，脉冲星“手电筒”光斑扫过地球的位置是固定的，也就是说我们看到一颗脉冲星是双峰脉冲，那它应该就一直是双峰脉冲。但实际观测发现，不少脉冲星的脉冲形态表现出规律或者不规律的变化。因为这些脉冲星的“灯泡”发光状态会变。

按理说，脉冲星自转一圈，“手电筒”的光都要晃一下地球人。可是有些脉冲星喜欢时不时把“手电筒”关了。极端的脉冲星，大多数时间会关掉它的“手电筒”，仅仅偶尔开一下，导致人类会长时间看不到这颗脉冲星。这种极端的情况就是我们开头说到的**“射电暂现源”**。

正如我们前面说的，脉冲星“手电筒”中安装着多颗“灯泡”。有些脉冲星“手电筒”的工作状态不太稳定，一会正常工作，一会部分“灯泡”突然变亮或者变暗。所以有时我们会观测到同一颗脉冲星的脉冲形态在多种模式之间来回切换。比如某颗脉冲星正常情况下是五峰脉冲，偶尔却有两个峰变得很弱，几乎成了三峰脉冲。天文学家就觉得应该是有部分“灯泡”变暗了。

不管是脉冲星“开关手电筒”还是“灯泡”工作不稳定，都属于是没有规律的变化。

一些脉冲星还会转“手电筒”

“核锥模型”与“补丁模型”结合产生更能解释脉冲星观测现象的物理模型（图片来源：作者自制）

对于一些脉冲星规律性的脉冲形态变化，天文学家表示，只要我们根据物理规律把前面的两个模型融合一下，也能解释。在新的模型中，“核锥模型”的“锥”不再是连续的环，而是补丁形式的。

旋转木马模型”示意图（图片来源：作者自制）

部分脉冲星在用“手电筒”晃地球的过程中，还不停地拧“手电筒”，让它沿着磁轴朝一个方向旋转。相应地，“手电筒”的光斑也会旋转。这样旋转起来的光斑，就如同游乐园的旋转木马一般，所以被称为**“旋转木马模型”**。这种情况下，扫过地球的光斑是周期性变化的。人类看到的脉冲形态自然也就有了规律性的变化。

然而，真的是这样吗？

脉冲星：其实我还有XXX现象

天文学家：我心中波澜不惊。不就是根据物理规律再修改下模型吗？

吃瓜群众：除了修改下物理模型去解释，还能有其他方法吗？

天文学家：要不你给我造个宇宙飞船，让我飞到脉冲星边上瞧瞧？

吃瓜群众：……

**天文学家对脉冲星的理解，只能是依靠观测到的现象，结合已知物理规律去解释。**有些解释可能会被后来的观测证明是不靠谱的，会被抛弃。有些解释能够预言出新的观测现象，并在随后得到验证。这些靠谱的解释就会被保留下来。

FAST的高灵敏度，能够帮助天文学家发现更多脉冲星，也可以对已知脉冲星进行更细致的观测。这些观测数据，有可能可以推动人们对脉冲星的理解，促进物理模型的改进。比如最开始说到的，FAST发现的第一颗脉冲星就被一些天文学家认为挑战了“旋转木马模型”。

目前，FAST团队正在与许多天文学家一道利用FAST进行调试阶段风险共担观测。预计未来FAST会有更多关于脉冲星以及其他天体的观测研究进展陆续公布。让我们拭目以待吧！

参考文献：

[1] Lu J, Peng B, Liu K, et al. Study of three rotating radio transients with FAST[J]. Science China-physics Mechanics & Astronomy, 2019, 62(5).

[2] Yu Y, Peng B, Liu K, et al. FAST ultra-wideband observation of abnormal emission-shift events of PSR B0919+06[J]. Science China-physics Mechanics & Astronomy, 2019, 62(5).

[3] Lu J, Peng B, Xu R, et al. The radiation structure of PSR B2016+28 observed with FAST[J]. Science China-physics Mechanics & Astronomy, 2019, 62(5).

[4] Qian L, Pan Z, Li D, et al. The first pulsar discovered by FAST[J]. Science China-physics Mechanics & Astronomy, 2019, 62(5).

[5] Zhang L, Li D, Hobbs G, et al. PSR J1926-0652: A Pulsar with Interesting Emission Properties Discovered at FAST[J]. ApJ, 2019.