引言：在無垠的宇宙中，有一種非常神秘的存在，它被稱為“宇宙燈塔”，它究竟是什么東西呢？

知識點Ⅰ：“小綠人”的問候

       1967年8月6日，英國劍橋大學卡文迪許實驗室，來自愛爾蘭的年僅24歲的美女博士研究生喬瑟琳·貝爾，在大量且紛亂的記錄紙帶中伏案工作，紙帶上記錄著射電望遠鏡接收到的來自宇宙的無線電信號。突然，她察覺到一個強勁的，每隔1.337秒出現(xiàn)一次的脈沖信號，周期極其規(guī)則和精準。這個信號來自狐貍座內(nèi)的一個特定的區(qū)域。她的導師安東尼·休伊什更具想象力地猜想這可能是外星人發(fā)送的電報，正在向整個宇宙進行廣播，并且給它起了一個名字“小綠人”。

1899年，科幻故事中出現(xiàn)了關(guān)于“綠色皮膚的小外星人”的描述后，“小綠人”幾乎就成了外星人的代名詞。（來源：deviantart.com）

        接下來幾個月里，貝爾和同事又發(fā)現(xiàn)不同天區(qū)存在著另外3個周期各異的脈沖信號源。顯然，不可能有三個“小綠人”在不同方向、同時向地球發(fā)射不同的脈沖信號?？茖W的理智戰(zhàn)勝了科幻的妄想。他們再經(jīng)過射電望遠鏡的色散測量，得出脈沖信號源來自距離地球幾千光年的地方，這意味著信號源應當是銀河系中的某個天體。1968年，“脈沖星”這個名字首次出現(xiàn)在英國《自然》雜志刊登的論文中。脈沖星的意外發(fā)現(xiàn)后來被稱為20世紀天文學的四大發(fā)現(xiàn)之一，為天文學和天體物理研究開辟了新的領(lǐng)域，對現(xiàn)代物理學的驗證產(chǎn)生了深遠的影響。

知識點Ⅱ：什么是脈沖信號

       這是人類發(fā)現(xiàn)的第4顆脈沖星的音頻，有著1.1878s的脈沖周期，這可是1968年5月9日的珍貴錄音，錄制這段音頻的望遠鏡就是非常著名的位于波多黎各直徑300米的大型射電望遠鏡“阿雷西博”（Aricebo），它一直是我們尋找外星人重要裝備，如果看過電影《007：黃金眼》的朋友一定印象深刻。在整個相對連續(xù)的信號周期內(nèi)短時間產(chǎn)生的信號就叫做脈沖，也可以表示為一個物理量在短持續(xù)時間內(nèi)突變后迅速回到其初始狀態(tài)的過程，就像我們?nèi)说拿}搏一樣。

人類發(fā)現(xiàn)的第4顆脈沖星的音頻

        想象一下，燈塔為什么是一閃一閃的？那是因為燈塔正以某個周期穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，當燈光束掃到你的時候就看到亮點，當光束沒有掃到你的時候呈現(xiàn)出來就是暗的，所以就一閃一閃的。只不過，脈沖星并非或明或暗地閃爍發(fā)光，而是時隱時現(xiàn)的無線電脈沖。因此，天文學家馬上就猜測，望遠鏡所看到的這個周期性的脈沖信號就是暗示著一個天體正在自轉(zhuǎn)，當這束無線電波掃過地球的時候，就被我們的射電望遠鏡記錄下來了。許多脈沖星的射電輻射非常強，但可見光輻射卻非常弱，目前已知的幾千顆脈沖星全部都是肉眼不可見的。既然是電磁波，那就一定與磁場有關(guān)系，所以脈沖星的射電脈沖一定是來源于星體的磁極。跟地球一樣，地磁南北極一定是磁場最強的地方，但磁極與自轉(zhuǎn)軸并不完全重合。脈沖星擁有極其強大的磁場，地球有磁場大約是0.5-0.6高斯（1高斯=10-4特斯拉），太陽的磁場總體也只有幾高斯，而大多數(shù)脈沖星的磁場強度高達1012高斯的磁場，也就是地球的1000億倍！

脈沖星燈塔模型（圖片來源：cms.kdis.edu.cn）

知識點Ⅲ：小而密

        人們發(fā)現(xiàn)脈沖星的脈沖周期都很短，也就意味著這個旋轉(zhuǎn)著的燈塔轉(zhuǎn)速非?？?。船帆座脈沖星的脈沖周期是89毫秒，相當于1秒鐘轉(zhuǎn)11圈，這甚至超過了直升機旋翼的旋轉(zhuǎn)速度！迄今已觀測到的最慢的脈沖星的周期間隔也不過11.765735秒（編號為PSR-J1841-0456），而最快的脈沖星是2004年發(fā)現(xiàn)的（編號為PSR-J1748-2446），周期只有0.001396秒，即1.4毫秒一圈，或者說是一秒鐘轉(zhuǎn)716次！這些毫秒級的脈沖星就被稱為毫秒脈沖星，它們是現(xiàn)在天文研究最前沿的內(nèi)容。

        脈沖星應該是個恒星，那么它們?yōu)槭裁磿D(zhuǎn)得那么快呢？物理學里有個非常重要的概念叫角動量，是物體繞軸的線速度與其距軸線的垂直距離的乘積。根據(jù)角動量守恒定律，物體繞軸旋轉(zhuǎn)線速度越大，它距自轉(zhuǎn)軸的距離就越短。如果要讓太陽的自轉(zhuǎn)周期減少到只有100毫秒的話，它的直徑將只有幾十公里！然而實際上，絕大多數(shù)脈沖星直徑都只有20公里左右。

如果把脈沖星放到地球上僅僅相當于一座城市大小，圖片中間是曼哈頓。（來源：spacefellowship.com）

知識點Ⅳ：宇宙最準時鐘

        脈沖星不僅個頭小轉(zhuǎn)得快，而且自轉(zhuǎn)周期極為穩(wěn)定，因為它幾乎完全靠消耗自轉(zhuǎn)能而彌補輻射出去的能量，因而自轉(zhuǎn)會逐漸放慢。但是這種變慢非常緩慢，以致于信號周期的精確度能夠超過原子鐘，從而成為整個宇宙走的最準的鐘。在上世紀70-80年代，美國航天局發(fā)射了先驅(qū)者10號、11號，旅行者1號、2號，攜帶著一張鍍金鋁板，如先驅(qū)者號上的那塊鋁板上畫著一個男人和一個女人的形象。那個男人舉起右手正在打招呼，而右手邊有著好幾條線條，實際上那就是脈沖信號。這些是當時人們發(fā)現(xiàn)的銀河系中的14個脈沖星，我們認為脈沖星有著非常穩(wěn)定的脈沖周期，既然我們能測定這14個脈沖星，那么如果當外星人的文明達到一定高度的話，他們的無線電技術(shù)，包括射電望遠鏡應該也不是問題，我們也完全有理由相信，他們會發(fā)現(xiàn)空中的脈沖星。

先驅(qū)者號上攜帶的鍍金鋁板（來源：NASA）

        另外，有一個引力波研究項目正指望通過組建一個脈沖星網(wǎng)絡來探測低頻引力波。LIGO探測到兩個恒星級黑洞合并產(chǎn)生了引力波，那個震蕩頻率為300Hz。但如果是兩個超大質(zhì)量黑洞的并合，其產(chǎn)生的引力波頻率要低得多得多，納赫茲就是10-9Hz，換算成時間就是10億秒才振蕩一周，探測難度是相當大的。研究人員認為我們可以標定許多個脈沖星，組成一張大網(wǎng)，就像蜘蛛網(wǎng)一樣，每一個脈沖星連著一條蛛絲，地球好比趴在蜘蛛網(wǎng)中央的大蜘蛛。蛛絲越多，探測的范圍和靈敏度越高。當某個地方發(fā)生了星系級超大質(zhì)量黑洞的并合，就好比蜘蛛網(wǎng)上粘上了一只小蚊子，產(chǎn)生的引力波引起蜘蛛網(wǎng)的時空漣漪，脈沖星的信號到達地球的時間就會發(fā)生變化，哪怕是極其細微的變化，因為畢竟它本身走的非常準嘛。這種引力波產(chǎn)生的時空變化，就像蜘蛛網(wǎng)上發(fā)生的震動，根據(jù)震動的大小，地球這個大蜘蛛就知道產(chǎn)生“引力波”的獵物在哪個地方了。

地球好比位于蜘蛛網(wǎng)中央，每一個脈沖星連著一條蛛絲，蛛絲越多，探測的范圍和靈敏度越高。圖中綠色網(wǎng)格表示引力波引起的時空漣漪，白色光束表示脈沖星的無線電脈沖信號。引力波到達地球，地球就會像漂浮在水中的小球一樣擺動，脈沖星的信號到達地球的時間就會發(fā)生變化。（來源：天文茶餐廳 制圖: David Champion）