7年超1000顆！“中國天眼”為什么要探測脈沖星？

近日，中國科學院國家天文臺射電研究部主任韓金林在 2025 科普中國說帶來演講《 7 年超 1000 顆！“中國天眼”為什么要探測脈沖星?》，一起探索星系演化的奧秘。

以下是韓金林的演講節選：

“中國天眼”建成后，主要的科學研究目標是探測銀河系的氫元素跟脈沖星。

為什么要探測脈沖星？這要從銀河系的恒星說起。你可能不知道的是，銀河系里的每一顆恒星都是“活”的，都擁有完整的生命周期，會經歷誕生、演化直至死亡的全過程。這些恒星不斷新生與消亡，其中最亮的恒星勾畫出銀河系的旋渦結構。

銀河系呈扁平狀，擁有銀盤與銀暈，銀盤內存在大量氣體。這些氣體最初以氫原子形態存在，冷卻后會形成氫分子云（分子云），恒星便在分子云中誕生。恒星誕生后，會電離周邊氣體。恒星初始由氫、氦元素構成，后續逐步合成碳、氬、氮乃至鐵等元素，最終因質量不同，走向不同結局：質量超過 30 個太陽的恒星會形成黑洞；質量在 10-30 個太陽之間的恒星會形成中子星；質量小于幾個太陽的恒星則會形成白矮星。

中子星是一種特殊天體，密度極高、磁場極強，旋轉時會產生脈沖。銀河系內因此存在大量恒星死亡后經超新星爆炸形成的中子星。

圖片來源于韓金林PPT

1967-1968 年，英國 Hewish 教授及其學生通過無線電波陣發現了脈沖信號。這個波動跟地球上汽車開過去的干擾信號非常相似，但是 Hewish 教授的學生通過仔細觀察，發現了其中的細微區別，后來，他們發現這個信號會每天提前 4 分鐘到達——這是來自天上的信號和來自地球的信號的區別，最終確認它來自中子星，就是現在大家說的脈沖星。Hewish 教授也因此獲得諾貝爾獎。

圖片來源于韓金林PPT

自 1968 年脈沖星被發現以來，人類已經探索其諸多特性。作為恒星死亡后的致密天體，脈沖星處于極端物理環境中，密度、磁場、引力場極強，自轉速度也快得驚人——與太陽質量相當的脈沖星每秒轉速可達 700 圈——這表明其星體結構異常堅固。

不過，到目前為止，盡管人類已經探測了 50 多年，仍然不太清楚銀河系當中究竟有多少個脈沖星或者多少個恒星死亡以后變成中子星，到目前也沒有明確銀河系中脈沖星的具體數量及其分布。

在物理研究層面，過去認為中子星由純中子構成，但有理論家提出中子可能分解為夸克，中子星內部可能是夸克態。人類看到了脈沖星的輻射，但脈沖星如何產生輻射，即輻射物理機制也尚未明確。此外，脈沖星信號的傳播特性可用于探測銀河系星際介質；其穩定的自轉特性，還能用于探測遙遠宇宙的引力波。

值得注意的是，銀河系內超三分之二的大質量恒星處于雙星系統。恒星死亡后，雙星系統中的兩顆星體仍會相互吸引、交換物質，最終可能形成兩顆中子星互相繞轉的系統。天文學家發現，這類雙中子星系統會逐漸靠近，最終合并，過程中會通過引力波輻射釋放能量。研究脈沖星的專家在 1993 年發現這類系統，獲得了諾貝爾獎，間接驗證了引力波輻射。這比引力波望遠鏡直接探測到引力波早了許多年。

圖片來源于韓金林PPT

脈沖星的極端環境還會引發特殊物理現象。其表面極強的磁場隨星體高速旋轉時，會產生強大感應電場，加速粒子并輻射 γ 光子； γ 光子在強磁場中還可能轉化為正電子與負電子。光子沒有質量，正負電子有質量，這里“從無到有”生成了的物質。

正因脈沖星蘊含大量待解的物理奧秘，全球所有大型射電望遠鏡均將其列為探測目標。

圖片來源于韓金林PPT

在中國，南仁東等老一輩科學家推動建成了 FAST 。自 2016 年落成啟動到 2019 年實驗調試期間，FAST 調試團隊便發現了多顆脈沖星。2019 年 FAST 開啟“風險共擔”項目，我們的科研團隊測試確認FAST性能優異之后，提出對 FAST 可觀測的銀河系區域進行全面巡天，希望找出區域內所有脈沖星。

為進一步優化效率，科研團隊與 FAST 運行的技術團隊一起開發了“快速快照模式”，使得 FAST 觀測鄰近天體目標的切換時間從 10 分鐘縮短至幾秒，每次切換穩定幾秒后，就可以對每個天區點跟蹤觀測 5 分鐘，3 次切換形成一個觀測覆蓋區，我們稱為一個 Cover 。

“ FAST 銀道面巡天”并不能隨時隨地都能巡測。FAST 位于山谷中，對 26.5 度附近天區觀測效果最佳，有點類似“坐井觀天”。科研團隊只能每天利用銀河經過觀測天區的數小時進行觀測。對觀測的天體目標進行 5 分鐘積分，使得觀測靈敏度比其他望遠鏡高一個量級。

截至目前，FAST 已發現超 1000 顆脈沖星。要知道，之前，全球各國用各類望遠鏡 55 年共發現約 3000 顆脈沖星，FAST 僅用數年便取得這一傲人成績。期待未來幾年，FAST 發現脈沖星數量能很快超越澳大利亞的望遠鏡（他們因銀河在南半球天區，有觀測優勢），成為“脈沖星發現之王”。

FAST 發現的脈沖星具有獨特價值：相比其他望遠鏡發現的脈沖星，FAST發現的脈沖星更暗弱（暗弱一個量級），填補了人類對銀河系暗弱脈沖星認知的空白。此外，FAST 還發現了很多偶然發脈沖的天體，占比達到 15% ，遠超之前人們認知的 5% 。

基于新發現的脈沖星，科研人員可以做各種各樣的物理研究，比如說相對論理論的檢驗。科研人員觀測到一顆脈沖星處于相伴天體后方時，受后方伴星的強引力場影響，脈沖到達時間會出現延遲，即“夏皮羅延遲”， FAST 能夠測量到這一現象，且測量精度極高。我們已經測量了 6 例。

科研人員還發現了特殊的雙星系統。比如下圖的這顆脈沖星，它是一個中子星與一個氦星組成的雙星系統。當氦星運行至脈沖星與地球之間時，會遮擋脈沖星信號，即掩食現象。

圖片來源于韓金林PPT

該系統應該是雙星中先形成的中子星鉆到漲大的伴星里面，然后剝去伴星的外層之后形成的。這是雙星演化理論中大家都認可的所謂公共包層演化環節，持續時間很短。雙星系統從公共包層演化階段形成后，生存時間也很短，因此極難發現。據南京大學教授的模擬，銀河系內這類系統僅數十個。未來兩顆星體將合并并釋放引力波。

除了發現新脈沖星，FAST 在脈沖星輻射難題的研究中也做出了重要貢獻。過去認為部分脈沖星會“停止輻射脈沖”，但 FAST 觀測發現，這些“停止輻射”的階段仍存在極微弱的“矮脈沖”，這類矮脈沖，時間很短、強度很低，一般的望遠鏡很難觀測得很清楚。 FAST 已發現多個脈沖星有類似的輻射，為理解脈沖星輻射的世紀難題提供了重要觀測依據。

圖片來源于韓金林PPT

國際學界對 FAST 脈沖星巡天成果高度認可，認為其取得了“非凡成就”。俄羅斯科學家感嘆，FAST 在其他望遠鏡多次探測過的一個小的區域，仍能發現兩百多顆脈沖星（目前已超1000顆），“讓人震驚”；邵逸夫獎得主Lorimer 教授評價，“ FAST 巡天注定是超越世界最成功的巡天”，其成果將“深刻影響”對銀河系中脈沖星和射電暫現源族群的認知。

來源：科普中國