[科普中国]-FAST将落成 可寻找脉冲星

2016年9月25日，FAST竣工典礼如期举办。
这项历时十数年的大工程，终于竣工。
此前，在7月3日上午，在经历了11个月的施工之后，贵州大山深处的FAST望远镜铺设完了它最后一块面板，标志着其主体工程的完工。
竣工典礼后， FAST很快会进入调试阶段，一步步靠近它既定的科学目标。想想就有点小激动呢！
FAST望远镜这么大一口锅，用来干什么好呢？
拿来炒脉冲星，哦不，找脉冲星，想必是极好的。

建设中的FAST与银河
（图片来源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/7/350146.shtm）

脉冲星是什么？
脉冲星，按字面意思来解释，就是会发射脉冲的星星。嗯，那不就是平时说的一闪一闪眨着眼睛的星星吗？不是，同样是眨眼睛，脉冲星好清纯好不做作，和那些妖艳货色不一样，眨得更让科学家们来电！
我们晚上用肉眼看到的星星一闪一闪，主要是大气抖动引起的。而脉冲星则是因为自身的辐射和运动特性，导致会不停地“闪”。
对于脉冲星辐射现象的一个最简单的也是最经典的模型，是所谓的“灯塔模型”。脉冲星，本身是直径大约10到15公里之间，质量却比太阳还大的中子星（一般的中子星质量是1.2到1.5倍太阳质量之间）。中子星和地球一样，绕着自身的自转轴不停地旋转，并且有南北两个磁极。中子星磁极的磁场十分强大，一般有1012到1015高斯（毫秒脉冲星磁场一般是108到109高斯），而我们地球磁极的磁场强度仅有0.6到0.7高斯左右。电子被中子星磁极的强磁场加速，导致磁极处发出很强的辐射。在自转轴和磁轴不重合的情况下（如同地球地理南北极和地磁南北极不重合一样），随着中子星的旋转，从其南北磁极发出来的强大辐射束就会如同灯塔的光束一样，一圈圈扫向四周。当某颗中子星的辐射束扫过地球的时候，我们就会看到一个不断眨眼睛的脉冲星。

脉冲星灯塔模型动态图
上边部分展示的是一颗旋转中的中子星及其两个辐射束。下边部分红点指示对应时刻我们看到的中子星的亮度。黄色曲线是中子星旋转一周的亮度变化。
（图片来源： http://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/）

为什么要用FAST那么大一口锅来炒找脉冲星？
那我们直接用肉眼看，找不到脉冲星吗？
为什么要用FAST那么大一口锅来炒找？
中子星的辐射很特殊。中子星本身很暗很暗，而它两极的辐射束却很强大，于是我们基本只能通过观测其辐射束的辐射来观测它。也就是说，天文学家观测到的中子星，基本都是脉冲星。
除了很亮之外，中子星辐射束还有一个特点，多数只在射电波段有辐射。这就意味着我们只能用射电望远镜来观测这部分脉冲星。而即使对于少量在可见光波段有辐射的脉冲星，由于它们发射脉冲的速度很快，人眼极难分辨，想直接肉眼看到几乎不可能。
虽然中子星辐射束很亮，但当他穿过遥远的星际空间到达地球时，还是变得很微弱。为了发现并研究这些脉冲星，科学家不得不使用大口径的望远镜来进行观测。而即使是这样，到目前为止，人们也只是发现了2500余颗脉冲星，其中大部分是由澳大利亚64米口径的帕克斯望远镜找到的。有研究认为，如果使用FAST来寻找脉冲星，我们将能发现6500颗新的脉冲星，这将是已发现脉冲星总量的2.6倍！

发现了1000多颗脉冲星的澳大利亚帕克斯64米射电望远镜
（图片来源：http://www.atnf.csiro.au/outreach/visiting/parkes/index.html）

脉冲星这东西，能吃吗？好吃吗？怎么吃？
说了这么多，按照一贯思路，应该再回答下，脉冲星这东西，能好怎？
呃……不能吃！不知道怎么吃！估计也不好吃。不过拿来搞个大新闻还是个不错的选择。
至今为止，脉冲星领域的研究已经拿了两个诺贝尔奖：一个是1967年发现第一颗脉冲星，证实了中子星的存在；另一个是1974年发现双脉冲星系统PSR B1913+16，间接证实了引力波理论。
除了这两个获诺奖的，还有其它利用脉冲星做出来的重要研究成果，比如：1972年在蟹状星云这个超新星遗迹中发现脉冲星，证实了超新星爆炸是产生中子星的主要机制；1990年对脉冲星PSR B1257+12的观测研究，首次发现了太阳系外的行星。

双脉冲星系统PSR B1913+16轨道进动测量数据（点）和广义相对论的预计（线）近乎完美的相符。
（图片来源：http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/PulsarTiming.html）

脉冲星还有其它功效吗？
脉冲星为啥这么厉害呢？它还有什么神奇的功效？
脉冲星能够如此受到科学家们的青睐，主要由于它包含了几个特点：质量大、自转稳、短脉冲、线偏振。正如前面提到的双脉冲星系统验证广义相对论理论的研究，由于两颗脉冲星质量都很大，靠得还很近，所以相对论效应很明显。然后由于脉冲星的脉冲周期一般是十分稳定的，我们能通过观测脉冲周期的变化，知道脉冲星本身状态的变化。两者结合，便可以拿来验证广义相对论。
脉冲星自转周期的稳定性，也被用来作为探测引力波的工具。科学家通过观测，收集一些脉冲周期足够稳定的脉冲星，然后对他们进行监测。监测到的脉冲周期变化数据会和引力波理论预言的结果做比对，从而来寻找引力波存在的证据。
其他天体的辐射一般都是连续发射，并且强度变化缓慢甚至不变。而脉冲星脉冲周期仅有毫秒到秒量级，而其发射出来的脉冲持续的时间仅仅占约十分之一个脉冲周期。这样的脉冲辐射，在穿过星际空间到达地球的过程中，会受到电离物质的影响，产生“色散”效应。这种效应现在通常被用来估计脉冲星与地球之间的距离，或用以研究银河系的电子密度模型。
除了“色散”，星际介质对脉冲星的影响还包括“散射”、“折射”，这些现象都可以帮助我们研究从脉冲星到地球这段星际空间的物质状态。然而还有更好玩的事情，那就是用脉冲星来测量银河系的磁场。
很多脉冲星的射电辐射带是线偏振的。当脉冲星的脉冲穿过星际空间时，它的偏振方向会受到星际磁场的影响发生偏转，即所谓的“法拉第旋转”效应。通过测量广泛分布于银河系空间中的脉冲星的“法拉第旋转”效应，我们就可以测量出银河系的磁场分布了。值得高兴的一点是，这一测量工作是由中国科学家首先做出来的。
脉冲星也并不只能拿来进行基础科学研究。设想下，假如我们知道脉冲星的具体位置，知道其准确的脉冲发射周期，那它不就变成一个名符其实的灯塔和时钟了吗？是的，理论上最少只要4颗脉冲星，就能为我们提供空间位置和时间信息。将来如果人类有能力进行星际航行，或许脉冲星会被用来为飞船指引方向呢！

北半球最亮的脉冲星PSR B0329+54真实数据制作的音频。该星大约每0.7145秒发出一个脉冲。

蟹状星云脉冲星真实数据制作的音频。该星大约每0.033秒发出一个脉冲。
（脉冲星音频来源：http://www.parkes.atnf.csiro.au/people/sar049/eternal_life/supernova/pulsars.html）

FAST这么大的一口锅，拿来看脉冲星能看出花来么？
也许可以呢？
对于已有的研究方向，这么大的望远镜，可以用来做更深入的研究。而更令科学家们期待的，其实更多的是那些预测不准，甚至完全预测不到的东西。万一发现一颗转得特别特别快的脉冲星，从而证实了夸克星的存在呢？万一发现一颗脉冲星和黑洞组成的双星系统，从而更好地检验了引力波理论呢？万一在仙女座大星系里面看到好几颗脉冲星，使我们可以研究星系际空间物质情况或者仙女座大星系本身的一些物理性质呢？这么多的“万一”，想想还真是有点小激动呢！