关于脉冲星的研究停滞了吗|x射线|中子星|射电|脉冲星|银河系

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翻译：王启儒

校对：贺柏翔、牧夫天文校对组

后期：胡永葳李子琦

责任编辑：毛明远

关键词：脉冲星；NICER

该图是NASA的中子星内部成分探测器 (NICER) 跟踪观测SGR 1830 37天呈现的X射线峰值图。图中，恒星的自转相位从左向右推进，测量的能量垂直显示。绿色、黄色和红色区域表示产生X射线的区域。随着时间的推移，它们的强度和相对于彼此的位置发生了变化。

Credit：NASA/NICER/G

1967年10月的一个夏日，剑桥大学卡文迪许实验室正在进行星空无线电信号流量变化的研究，即射电闪烁（radio scintillation），负责执行望远镜观测和数据分析的科研人员是一位来自爱尔兰的女博士研究生，名字叫乔瑟琳·贝尔。她夜以继日地工作，在大量纷乱的记录纸带上仔细摸索射电闪烁信号的特征。

猛然间，贝尔察觉到一个奇怪而且周期极其规则的“干扰”信号，每隔1.33秒发送一条脉冲信号。这令她十分诧异，难道宇宙的“心电图”存在“人为故意”的钟表准时效应？得知这一令人难以置信的观测分析，她的导师安东妮·休伊什曾猜想这可能是外星人 “小绿人”（当然不是来自坎星的小绿人）发出的摩尔斯电码，在向地球呼叫。然而，进一步的观测数据表明，这个脉冲信号的频率极其精确。接下来，贝尔和同事又发现不同天区的另外3个周期各异的脉冲信号源，这排除了外星人信号，因为不可能有三个“小绿人”在不同方向、同时向地球发射不同的脉冲信号。再经过射电望远镜的色散测量，贝尔得出脉冲星距离地球大约是几万光年，这意味着脉冲信号源于银河系的天体。

经过一番努力，贝尔和休伊什在英国《自然》杂志上发表了发现脉冲星的论文，并认为脉冲星就是物理学家预言的超级致密的中子星。消息很快轰动了国际科学界，与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。为天体物理学研究开辟了新的领域，同时也对现代物理学产生了深远影响。其导师安东尼·休伊什因脉冲星的发现而荣获1974年的诺贝尔物理学奖。

乔瑟琳·贝尔及首次发现脉冲星的无线电信号记录带

Credits：Wikipedia

现如今，天文学家共发现2000余颗脉冲星。这些旋转的“灯塔”足有太阳质量的7到20倍。自旋周期高达每秒数百次，比家用搅拌机的刀片还要快，而且在它们拥极强的磁场。

这半个世纪以来，随着观测技术的突飞猛进，天文学家已经能从不同波段研究它们了，美国宇航局随即重启了对这些“天然信标”的观测任务。

大多数已知的中子星都以脉冲星的形式被观测到，它们发射出狭窄的辐射束。中子星的巨大引力将多达两倍太阳质量压缩到一个城市大小的体积中，物质被压碎到尽可能高的稳定密度。为了探索脉冲星核心里有什么，NICER在中子星旋转时对其表面X射线进行测量，结果却与核物理理论的预测相悖。

Credits：NASA

中子星内部成分探测器（NICER），是美国宇航局第一个致力于研究脉冲星的设备。为了纪念乔瑟琳·贝尔，NICER观测的第一个对象便是贝尔发现的那颗脉冲星，现如今它也有了一个新的名字——PSR B1919+21。

NICER已于2017年6月初发射到国际空间站，并开始了它的观测任务。通过X 射线观测，NICER发现这些脉冲星上百万摄氏度的固体表面以及超强磁场将为核物理和天体物理学的研究带来重大贡献，这种独有的环境在其他任何地方都无法复制。其中，“脉冲星核心里有什么？”一直以来都是研究这些超致密、高速旋转、强磁性天体最基础的问题。

NICER目前已安装在国际空间站上。动画展示了NICER的跟踪相机、电子设备、空间站附件机构、56顶X射线仪保护罩、指向马达和收起/部署马达等装置。

Credits：NASA

构成脉冲星的是科学家们自以为熟悉不过的粒子——中子、质子、电子、夸克——这些粒子早在一个多世纪前就已经在实验室反复研究。然而，在极端的压力和密度条件下，它们的相互作用将变得不可莫测。这时就需要一种新的、精确的测量，尤其是以脉冲星大小和质量作为对象开展研究。

NICER的首席研究员基思·根德罗说：“基于现有数据，已经开发了许多核物理模型来解释中子星的构成。然而NICER将通过更精确地测量来完善上述模型，在精准度上提升一个数量级。”

NICER还将通过观测脉冲星X射线信号完成“银河系导航系统”的前期验证，以期实现在银河系内时间和空间的校准，为未来的深空探索做铺垫。

蟹状星云核心脉冲星（X射线/可见光波段）合成图像

Credits：NASA

“该项技术实现后，航天器便可以通过周围多个方向的脉冲星的X射线信号进行时间和空间的校准，完成在银河系任何地方导航，” NICER科学负责人阿祖曼尼杨如是说 “这正是地球上GPS系统的工作原理，每一颗GPS卫星都搭载着精确的原子钟。”

拿掉保护罩后裸露在外的X射线校准装置

Credits：NASA

科学家们使用软件在实验室模拟验证了该方法的可行性。而NICER搭载的驻站X射线校准导航仪（Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology，SEXTANT）将首次在太空中印证该设想。

驻站X射线校准导航仪是自发现脉冲星50年以来第一个致力于研究它的设备。NASA的天文学家认为该设备将在天体物理学的发展史上留下浓墨重彩的一笔。