“天眼”首批科學成果公布 全是脈衝星？

出品：科普中國

製作：蕉葉

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

2019年5月，使用天眼望遠鏡FAST觀測數據得到的第一批科學成果正式出爐，在國際刊物《中國科學：物理學 力學 天文學（英文版）》上刊印發表，並在著名的斯普林格-自然出版集團相關網站在線發表。

這一批成果包括了使用FAST對三顆射電暫現源（J1538+2345，J1854+0306和J1913+1330）[1]、脈衝星B0919+06[2]，和脈衝星B2016+28[3]的觀測研究，以及對FAST發現的第一顆未知脈衝星J1900-0134發現過程的介紹[4]。展示了FAST高靈敏度、頻率覆蓋寬的優勢，取得了一些新的研究成果。

關於脈衝星J1900-0134的研究成果則於近日在著名的美國天文學期刊《天體物理學報》上發表[5]。該成果認為這顆脈衝星的行為挑戰了傳統的"旋轉木馬模型"。

FAST發布的第一批科學成果，都是脈！衝！星！

今天就讓作者我化身靈魂畫手，再來聊聊脈衝星。

脈衝星：拿著"手電筒"旋轉跳舞的星

脈衝星是磁極異塵餘生束隨自轉而周期性掃過地球的中子星。一般認為中子星和我們的地球一樣，繞著自己的自轉軸自轉，有南北兩個磁極，且自轉軸和磁軸通常並不重合。中子星磁極處會發出強烈的電磁異塵餘生。形象地說，中子星就如同一個雙手拿著強光手電，一邊旋轉跳舞的人。手電發出的光束會隨著中子星的自轉在宇宙中不停地掃射，如果剛好能掃過地球，那我們就稱這顆中子星為脈衝星。

脈衝星"手電筒"裡裝著什麽樣的"燈泡"？

那麽問題來了，脈衝星拿著的"手電筒"是啥樣的呢？現實生活中的手電筒多種多樣，有單個燈泡的，也有多顆LED的。光源不同，照射出來的光斑也不一樣。所以，在我們只能看到手電筒的光，而看不到燈泡安裝情況的時候，我們可以通過光斑的樣子來推測燈泡安裝的情況。對於脈衝星來說也是這個道理。

最簡單的例子，天文學家觀測到一些脈衝星的亮度變化是一個簡單的脈衝，或者叫單峰脈衝。於是我們可以推測這些脈衝星拿著一支只有一個"燈泡"的"手電筒"，這樣在手電的光掃過地球的過程中，人們看到的就是一個單峰脈衝。但一些脈衝星有兩個峰值。對於雙峰的情況，只有一個普通"燈泡"的說法就解釋不了了。

天文學家根據物理規律，認為脈衝星的"手電筒"裡裝的可能是一顆環形的"電燈泡"，照射出來的光斑也是環形的。這種情況下地球人會看到什麽樣的一個脈衝呢？這還得分情況看。

脈衝星"手電筒"投影出來的光斑是很大的，比地球大。所以一個環形的光斑，從不同的位置掃過地球的話，我們看到的亮度變化也是不一樣的。

如果是光環邊緣掃過地球，那我們看到的亮度變化就只是一個單峰。

如果是光環中間掃過地球，那我們就能看到先變亮、再變暗、又變亮，最後變暗這樣一個過程，對應光度變化是雙峰的。

看，這個"環形燈泡"模型能夠同時解釋為什麽有些脈衝星是單峰脈衝，而有些卻是雙峰脈衝。多好的一個模型。

單顆"燈泡"是不夠的

然而脈衝星並沒有那麽簡單。我們看到的脈衝形態（也就是上面說的光度變化的形態）不止單峰、雙峰形式，還有些脈衝星的脈衝形態是三峰、四峰或者五峰！

天文學家再次根據物理規律，認為脈衝星"手中的手電筒"可能是以下兩種情況之一：

第一種解釋是："手電筒"中間有一顆燈泡，再套兩圈環形燈泡。學術上稱為"核錐模型"，其中中間的"燈泡"是"核"，外面的"環狀燈泡"是"錐"。

第二種解釋是："手電筒"中散亂地安裝著多顆燈泡。因為跟打補丁似的，所以學術上稱其為"補丁模型"。

不管我們看到的是一個還是多個峰的脈衝形態，這兩種模型都能解釋。也就是說，所有脈衝星其實都拿著一樣的"核錐手電筒"或者"補丁手電筒"。只是由於光束掃過地球的位置不太一樣，導致我們看到有些脈衝星的脈衝形態是單峰的，有些是多峰的。

"燈泡"的狀態也可能發生變化

然而脈衝星還是沒那麽簡單！一般情況下，脈衝星"手電筒"光斑掃過地球的位置是固定的，也就是說我們看到一顆脈衝星是雙峰脈衝，那它應該就一直是雙峰脈衝。但實際觀測發現，不少脈衝星的脈衝形態表現出規律或者不規律的變化。因為這些脈衝星的"燈泡"發光狀態會變。

按理說，脈衝星自轉一圈，"手電筒"的光都要晃一下地球人。可是有些脈衝星喜歡時不時把"手電筒"關了。極端的脈衝星，大多數時間會關掉它的"手電筒"，僅僅偶爾開一下，導致人類會長時間看不到這顆脈衝星。這種極端的情況就是我們開頭說到的"射電暫現源"。

正如我們前面說的，脈衝星"手電筒"中安裝著多顆"燈泡"。有些脈衝星"手電筒"的工作狀態不太穩定，一會正常工作，一會部分"燈泡"突然變亮或者變暗。所以有時我們會觀測到同一顆脈衝星的脈衝形態在多種模式之間來回切換。比如某顆脈衝星正常情況下是五峰脈衝，偶爾卻有兩個峰變得很弱，幾乎成了三峰脈衝。天文學家就覺得應該是有部分"燈泡"變暗了。

不管是脈衝星"開關手電筒"還是"燈泡"工作不穩定，都屬於是沒有規律的變化。

一些脈衝星還會轉"手電筒"

對於一些脈衝星規律性的脈衝形態變化，天文學家表示，只要我們根據物理規律把前面的兩個模型融合一下，也能解釋。在新的模型中，"核錐模型"的"錐"不再是連續的環，而是補丁形式的。

部分脈衝星在用"手電筒"晃地球的過程中，還不停地擰"手電筒"，讓它沿著磁軸朝一個方向旋轉。相應地，"手電筒"的光斑也會旋轉。這樣旋轉起來的光斑，就如同遊樂園的旋轉木馬一般，所以被稱為"旋轉木馬模型"。這種情況下，掃過地球的光斑是周期性變化的。人類看到的脈衝形態自然也就有了規律性的變化。

然而，真的是這樣嗎？

脈衝星：其實我還有XXX現象

天文學家：我心中波瀾不驚。不就是根據物理規律再修改下模型嗎？

吃瓜群眾：除了修改下物理模型去解釋，還能有其他方法嗎？

天文學家：要不你給我造個宇宙飛船，讓我飛到脈衝星邊上瞧瞧？

吃瓜群眾：……

天文學家對脈衝星的理解，只能是依靠觀測到的現象，結合已知物理規律去解釋。有些解釋可能會被後來的觀測證明是不靠譜的，會被拋棄。有些解釋能夠預言出新的觀測現象，並在隨後得到驗證。這些靠譜的解釋就會被保留下來。

FAST的高靈敏度，能夠幫助天文學家發現更多脈衝星，也可以對已知脈衝星進行更細致的觀測。這些觀測數據，有可能可以推動人們對脈衝星的理解，促進物理模型的改進。比如最開始說到的，FAST發現的第一顆脈衝星就被一些天文學家認為挑戰了"旋轉木馬模型"。

目前，FAST團隊正在與許多天文學家一道利用FAST進行調試階段風險共擔觀測。預計未來FAST會有更多關於脈衝星以及其他天體的觀測研究進展陸續公布。讓我們拭目以待吧！

參考文獻：

[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.