脉冲星

一颗死去的恒星如何变成宇宙灯塔

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城市大小的恒星

质量超过八个太阳的恒星死亡时，核心会坍缩成中子星：约 1.4 倍太阳质量，挤进一个直径约 22 公里的球里。

大质量恒星靠在核心把轻原子聚变成较重的原子而发光。一旦核心变成了铁，这把火就熄灭了，因为铁的聚变不会产生能量。再没有什么能撑住它，大小约与地球相当的核心在不到一秒内向内坍缩。

挤压之强，使电子被压进质子，把质子变成中子。直到中子挤得像原子核里一样紧密，坍缩才停下来。恒星的其余部分在超新星爆发中被抛向太空，留下的就是中子星。

除了黑洞，已知没有比它更致密的东西：一块方糖大小的中子星物质，约和地球上所有人加起来一样重。它的引力会弯曲光线。它周围那圈被拉长的星星，是被它的引力弯折的星光；它的表面约有五分之四能同时看到。

旋转的磁体

坍缩让它飞速自转，并把磁场压缩到地球磁场的数万亿倍。它的磁极偏离自转轴。

想想花样滑冰运动员收拢双臂后转得更快。垂死恒星的核心原本转得很慢，但从地球大小缩到一座城市大小后，转速快了几十万倍。新生的中子星每秒可以转很多圈。

挤压也把恒星的磁场压进小得多的空间，使它变得强大无比。少数中子星被称为磁星，磁场还要再强一千倍，是已知最强的磁体。

和地球一样，磁极并不在自转轴穿出的地方。白色虚线是恒星自转的轴，紫色虚线是它的磁轴，与自转轴倾斜相交。正是这个倾斜，将把恒星变成一座灯塔。

两道波束

在磁极上方，从表面扯出的粒子沿着磁场向外飞奔，发出两道窄窄的射电波束。射电波看不见，所以这里用绿色画出。

旋转的磁体会发电，发电站里的发电机就是这样工作的。中子星是一台巨型发电机。它的自转产生数万亿伏的电压，足以把电子和其他带电粒子从表面扯出来。

带电粒子只能沿着磁力线运动，就像穿在铁丝上的珠子。在每个磁极上方，磁力线伸向太空，粒子在那里以接近光速被甩出去。途中它们在一个狭窄的锥形里发出射电波，这就是波束。它们究竟是怎么做到的，至今仍是科学家在破解的谜题。

波束的能量来自恒星的自转，所以每颗脉冲星都会在几百万年里慢慢变慢。有些脉冲星，比如蟹状星云脉冲星和船帆座脉冲星，还会在可见光、X 射线和伽马射线中闪烁。

宇宙灯塔

恒星自转时，波束像灯塔的光一样扫过天空。每当一道波束扫过地球，射电望远镜就接收到一个脉冲。

波束固定在磁极上，而磁极是倾斜的，所以恒星一转，每道波束就在天空中扫出一个圆。恒星并不是一亮一灭：它像灯塔的灯一样一直在发光，只有波束对准我们时，我们才看到一次闪光。

金色箭头指向地球。文字上方的绿线，是地球上的射电望远镜记录到的射电信号：波束朝向别处时是平的，每当有一道扫过我们，就出现一个尖峰。

大多数脉冲星的波束从不扫过地球，所以我们根本看不到它们。即便如此，人们已经发现了 4,000 多颗脉冲星，几乎都在我们自己的银河系里。

它的真实速度

放慢后可以看清每一圈。船帆座脉冲星实际每秒自转 11 圈，已知最快的脉冲星每秒 716 圈。选一颗脉冲星来看看、听听。

到这里为止，自转都是放慢的，方便你看清。顶部的按钮可以在慢动作和真实速度之间切换，旁边的列表里有四颗真实的脉冲星：从最早发现、每 1.34 秒转一圈的那颗，到已知转得最快的那颗。

最快的 PSR J1748−2446ad 每秒转 716 圈：它的赤道以约五分之一的光速飞转。这么快的脉冲星是重新被加速的老脉冲星。一颗伴星把气体倒在它们身上，推着它们越转越快，就像一只手推着旋转木马。

打开声音就能听出区别。慢的脉冲星像敲鼓，快的嗡嗡作响，到了每秒几百次脉冲，节拍就融成了一个乐音。

光速圆柱面

磁场扎根在恒星里，随它一起转动，就像车轮的辐条。沿着辐条越往外，移动得越快，就像旋转木马的边缘比中间转得快。

在它里面，磁力线绕回恒星，线上的粒子随恒星一起转。本该伸得更远的磁力线无法闭合：它们张开并盘成螺旋向外拖曳，以接近光速带走一股粒子风。在蟹状星云脉冲星周围，这股风照亮了宽约 11 光年的整个蟹状星云。

天上的时钟

乔斯琳·贝尔·伯内尔于 1967 年发现了第一颗脉冲星。脉冲星计时极其稳定，先驱者号和旅行者号探测器上携带的 14 颗脉冲星地图能标出我们太阳的位置。

1967 年，剑桥大学的学生乔瑟琳·贝尔·伯内尔在她参与建造的射电望远镜的纸带记录上，注意到一小段“杂乱的痕迹”：每隔 1.34 秒一个脉冲，像时钟一样规律。团队半开玩笑地把这个源叫作 LGM-1，取自“little green men”（小绿人），直到又发现了更多这样的源，才知道它们是旋转的中子星。

1974 年因这一发现颁发的诺贝尔奖给了她的导师安东尼·休伊什，而不是她。2018 年她获得 300 万美元的科学突破奖，并把奖金全部捐出，帮助物理学中代表性不足群体的学生。

最快的脉冲星计时几乎和原子钟一样准。1992 年，对一颗脉冲星的计时发现了人类在其他恒星周围找到的第一批行星。天文学家对 68 颗脉冲星计时 15 年，在 2023 年找到了引力波的迹象：空间本身的涟漪正穿过我们的银河系。

先驱者号铭牌和旅行者号唱片上的地图，标出了从太阳看去 14 颗脉冲星的方向、距离和节拍。脉冲星会稳定地变慢，所以找到它的人不但能推算出探测器从哪里来，还能大致算出它们是什么时候出发的。

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