中国天眼科普:神秘的脉冲星

本书将各种脉冲星的知识与地球上实际现象相联系，帮助读者直观理解致密星体。图文并貌，注重图片原创的动漫效果，提高读者对天文和学习的兴趣。

本书是一本介绍脉冲星的科普书籍，包括脉冲星（转动中子星）的基础知识，脉冲星的发现和验
证历史，及其各种现象。我们根据靠前近期新的科学成就，以及中国天眼的科学目标，将新的科研成果
写进本书。具体包括：脉冲星的发现历史及故事，早期中子星理论的发展，脉冲星的参数结构，各种
特殊类型脉冲星的现象和物理解释。

本书主要针对中学生、大学生以及对天文学感兴趣的人群。对于天文爱好者来说，本书是良师益友，
可以让你在短时间内了解到整个脉冲星领域的近期新知识，以较少的时间和精力去探索宇宙和脉冲星的
奇妙世界。

中国科学院国家天文台研究员、中国天眼FAST工程首席科学家助理，中国科学院大学岗位教授，博士生导师领域主要涵盖脉冲星天体物理和广义相对论，已发表学术论文 100余篇。曾获国家教委科技进步二等奖/中国科学院大学很好课程称号；出版和编辑科研书籍和靠前会议文集两本（中子星与脉冲星天体物理ISBN，中国科学出版社/英国剑桥大学出版社）。

1 脉冲星发现的故事1

2 脉冲星认证过程6

3 脉冲星命名方式11

4 脉冲星距离估计16

5 脉冲星的质量和密度24

6 那些错失脉冲星发现的故事27

7 脉冲星与诺贝尔奖的恩怨情仇31

8 宋朝“客星”与脉冲星33

9 脉冲星与超新星爆发38

10 脉冲星是转动中子星44

11 蟹状星云的神秘信号50

12 中子星早期猜想58

13 脉冲星速度来源68

14 中子星极端态：高温、高压、高密度、强磁场和强引力73

15 脉冲星精准钟：导航80

16 毫秒脉冲星奥秘85

17 脉冲星双星系统93

18 强磁场中子星99

19 寡妇星与脉冲星行星系统108

20 脉冲星磁场112

21 脉冲星引力场116

22 脉冲星的质量范围119

脉冲星最初是由英国剑桥大学的博士研究生乔瑟琳·贝尔女士（Jocelyn Bell）
发现的。1967年夏，她在搜索射电望远镜天线的数据带时，注意到一个奇怪的周
期信号，流量每隔1.33秒变化一次，后经仔细认证意识到这是一个未知的宇宙信
号，来自后来称为脉冲星的天体。脉冲星是物理学家曾经预言的一种超级致密的
中子星。脉冲星的发现是20世纪重大的天文学事件。经过50多年的研究，我们
已经知道脉冲星是一种极端致密的天体，源于8~25倍太阳质量a的恒星演化到末
期，经历超新星爆发后形成，中心物质坍缩成中子星，约一个太阳质量，其物质
密度大约是水密度的千万亿倍。脉冲星的射电辐射来自其磁场强大的极冠区，每
当中子星的极冠转到地球视线方向时，我们便能收到其辐射的脉冲信号。脉冲星
好比航海中的灯塔，当其辐射束扫过地球时即可以观测到一次脉冲。脉冲星半径
约10 km，自旋很快，目前在射电波段观测到的旋转周期在1.39毫秒~23秒之间。

天文学家注意到，脉冲星在基础科学研究领域具有极其重要的学术意义。由
于脉冲星的大质量和小半径,其表面引力场非常强，使得脉冲星成为爱因斯坦广
义相对论验证的绝好场所。根据爱因斯坦的预言，双星系轨道在引力波辐射下将
收缩，而轨道周期为几小时的双中子星系统每年将缩短几百厘米。1974年，美国
天文学家赫尔斯和泰勒发现了一对互相绕转的双中子星系统，他们利用此系统证
实了引力波的预言。由于脉冲星的超强磁场，为研究磁层粒子加速机制、高能辐
射、射电辐射过程提供了一个理想的场所。在应用研究方面，脉冲星因其自转周期的高度稳定性, 在时间标准和航天器导航上有着非常重要的应用前景。部分脉
冲星自转周期的长期稳定性已经赶上甚至超过了氢原子钟。对脉冲星的研究涉及
多学科协作，多波段探测，多信使研究，所以其研究已成为当今天体物理学最活
跃的领域之一。

脉冲星自发现以来，在50年间取得了令世人瞩目的巨大成就。天文学家已
经观测到3000多颗脉冲星，至今已积累了一大批宝贵的资料, 同时也存在不少现
象和问题尚待解决。随着中国“天眼”工程球面射电望远镜（FAST）大型装置的
建设和观测手段的进一步发展, 人类必将逐步揭示脉冲星所涉及的一系列新问题。
虽然现在天文学家已经观测到18对双中子星系统，但尚未发现脉冲星+黑洞系统，
FAST有望在接下来的若干年内探测到这类奇特双星，这将为精确确定黑洞性质
获得关键信息，同时也可以检验引力波在此类系统的辐射性质。目前，观测到的
毫秒脉冲星最快自旋周期是1.39毫秒，低于10毫秒的脉冲星有300多颗。根据
理论计算，最快的脉冲星周期可达不足1毫秒，如果能探测到这类亚毫秒脉冲星，
那么我们确定其物态很有可能是夸克物质，这将是核力起主导作用的一种新天体。
此外，银河系以外脉冲星的探测也将作为FAST未来观测的重点。随着FAST射
电望远镜灵敏度的提高，探测其他星系短时间内产生巨脉冲信号脉冲星也成为可能，这对于研究脉冲星奇特的辐射机制非常有利。另外，对于一些“年老”的脉
冲星，其辐射的强度较低，星体自旋周期大于10秒。一般来说，自旋周期越大，
其年龄越老，越不容易被探测到。在FAST高灵敏度的前提下，探测年老脉冲星
变为可能，这对于研究脉冲星晚期演化特性是至关重要的。总之，在FAST时代，
可以预知的脉冲星观测将突破原有的样本数目，各种新型脉冲星天体将不期而至，
我们正在迎接一个中国自主大科学装置发现的时代。