“中国天眼”FAST望远镜首次发现脉冲星！这颗星星，献给他

　　就在刚才，中科院国家天文台发布了一个令人振奋的消息：我国在贵州建设的世界最大单口径射电望远镜，被誉为“中国天眼”的大锅，五百米口径球面射电望远镜（FAST），发现了新的脉冲星！而且不止一个！
　　我不知道你怎么想，反正我是立刻想要把这个好消息告诉一个人——FAST望远镜之父，9月15日刚刚驾鹤西归的南仁东老师。

　　南仁东。摄影：国家天文台 张蜀新
　　你也许读过南老的故事。南仁东老师胼手砥足20多年，带领团队在祖国西南连绵的大山里翻山越岭，克服无数艰难险阻，一砖一瓦的修建起了让世界瞩目的国之重器——“中国天眼”FAST望远镜。然而就在FAST望远镜即将迎来初光一周年之际，他却因肺癌晚期病情恶化，撒手人寰。
　　实际上就在南老去世前5天的9月10日，从澳大利亚帕克斯望远镜传来了好消息：它在验证观测中，确认了FAST望远镜在8月22日发现的一颗脉冲星候选体：这是FAST望远镜确认发现的第一颗新脉冲星，被称为FAST脉冲星一号（FP1），自转周期1.83秒，距离粗估1.56万光年。

　　FAST脉冲星一号被发现时所观测到的9个单脉冲轮廓。视频制作：国家天文台
　　而且FAST望远镜发现这颗脉冲星时，只用了52.4秒的观测，得到的信号/噪声比值（信噪比）就达到了帕克斯望远镜验证时所用2100秒观测的3倍！FAST的灵敏度之高，果然名不虚传！

A上：FP1脉冲星的平均脉冲轮廓；A下：多个单脉冲轮廓。B：FAST脉冲星二号（FP2）的多个单脉冲轮廓。图片来源：国家天文台

　　我的导师，FAST望远镜副总工程师李菂研究员，接到发现获得验证的喜讯后马上给南老发了一封邮件。
　　然而南老……没有回复。
　　据推测，当时南老病情已经开始恶化，被转入重症监护病房。我们不清楚南老有没有看到这封邮件。
　　多希望他没有带着遗憾离开！
　　毕竟这是FAST望远镜蹒跚稚嫩的第一步，是它载着中国天文学迈向星辰大海的第一步。
　　我想这FAST的第一颗星，应当献给南老。
　　他老若在天有灵，当会感到快慰。
致敬他，也致敬她

FAST望远镜以其冠绝群伦的灵敏度，被脉冲星研究者寄以厚望。“脉冲星机器”——一位研究者私下里这样称呼它。

　　脉冲星，这些恒星巨人们死亡后留下的致密遗骸，比太阳还要重，却只有北京五环大小。它转的飞快：通常几秒就能自转一周，快的甚至一秒可以自转几百圈。
　　这样极端的天体，在1967年被一个24岁女生意外发现之前，是世人难以想象的存在。
　　以至于她刚刚发现第一颗脉冲星时，以为这是外星人发出的信号，而将其编号为“小绿人一号”（LGM-1）。

　　她，就是约瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell Burnell）。她是脉冲星科学之母，却在那个年代中因性别与地位与诺贝尔奖失之交臂，很多人一直为此打抱不平。
　　她发现的第一颗脉冲星，后编号为CP 1919的这颗，更意外闯入流行文化领域（详见《一颗脉冲星的流行之旅》）：
　　这颗脉冲星的脉冲轮廓图，在1979年被后朋克乐队“快乐小分队”（Joy Division）用作其首张唱片“振奋莫名”（Unknown Pleasures）的封面图，从此成为流行音乐界长盛不衰的经典符号：

Unknown Pleasures 唱片封面。

　　《失序》（Disorder）是这张唱片的第一支单曲。也许脉冲星CP 1919那重峦叠嶂般的脉冲轮廓图，最契合乐队歌手们彼时的心境？（可以开着音乐继续往下看……）
　　或许歌手们只是无心插柳，但我想，发现一类新天体的丰功伟绩，值得人类文明以各种方式歌颂与纪念。
　　何况我们，受其荫蔽的天文学人，又怎么会忘记她呢？
　　2016年9月17日，FAST望远镜第一次试观测，就是以贝尔脉冲星CP 1919为目标。
　　那天，信号质量好的让人迷醉。

　　FAST望远镜试观测时取得的贝尔脉冲星的平均脉冲轮廓，信噪比高达5300多。图片来源：国家天文台
　　而今年刚好是贝尔发现脉冲星50周年，中国的FAST望远镜也终于发现了属于自己的新脉冲星，我们更可以自豪的向前人致敬：放心好了，从今往后，脉冲星科学交给我们来担当。
脉冲星搜寻竞赛

脉冲星的发现，被列入1960年代天文四大发现——另外三个是，类星体、星际有机分子和微波背景辐射。

　　不是每一个十年都有“三大”“四大”“五大”天文发现——实际上以“某某年代天文四大发现”并称的，仅此一例。
　　毕竟，1960年代，乃是射电天文学方兴未艾的时代，人类第一次大规模透过光学以外的电磁波窗口向宇宙好奇的瞭望，所见的一切都是新鲜的。
　　那也是国际射电天文学界群雄逐鹿的年代。得益于二战中为防御德国空军而成长起来的雷达技术，美国、英国及其前殖民地澳大利亚的射电天文技术发展占得了先机。
　　脉冲星搜寻这场国际竞赛的跑道，正是他们逐鹿的中原。

　　到脉冲星发现的十周年（1977），各国共发现脉冲星149颗。
　　1978年，澳大利亚莫朗格洛望远镜（Molonglo）在“科学的春天”的同时发力领跑，一鼓作气将已知脉冲星数量翻了一倍多，达到320颗。

莫朗格洛望远镜。图片来源：UTMOST项目

　　不过在接下来的20年中，新脉冲星发现的步伐只能说不紧不慢：在位于美属波多黎各、口径305米的时任世界最大望远镜阿雷西博（Arecibo），美国绿岸天文台（Green Bank）的91米望远镜、英国乔德雷尔·班克天文台（Jodrell Bank）的76米望远镜，以及澳大利亚帕克斯天文台（Parkes）的64米望远镜共同努力下，到脉冲星发现的30周年（1997），各国脉冲星搜寻的累计战果仅扩大到了705颗。

　　发现脉冲星第二多的阿雷西博望远镜。图片来源：阿雷西博天文台 H. Schweikerm
　　脉冲星搜寻的前30年，脉冲星的发现增长几乎是线性，而非我们期待的指数增长。这是由射电望远镜的特性所决定的：一般一次只能观测一个方向，也就是说，传统上，射电望远镜是一个“单像素”的相机。面对浩瀚的银河系，一个点一个点的测过去，自然进展缓慢。
　　你会说，如果一次能看多个像素，即使使用同样的望远镜，观测效率不也可以成倍增长吗？

正在吊装的帕克斯望远镜13波束接收机。图片来源：CSIRO

　　虽然看起来很容易想到，真的做起来可不是那么回事。在这个回合，澳大利亚人占据了优势：他们率先搞出了13波束接收机的黑科技，极大的提升了脉冲星搜寻效率，在接下来的20年里独步天下。现在人类已知的2600多颗脉冲星里，有超过一半由帕克斯望远镜率先发现。
　　当然，除了技术优势以外，南半球中纬度地区在一年中大部分时间都可以观测到银河系中心附近区域，也是澳大利亚天文学界两度赢取先机的天然地利。
脉冲星光的“星际穿越”

前面我们提到，FAST发现的第一颗脉冲星距离“粗估1.56万光年”，这数是怎么来的呢？

　　先讲一个段子。
　　刚才讲过，去年9月，FAST刚刚出光，头一个观测的天体就是贝尔脉冲星。你可能还记得，当时铺天盖地的新闻称“超级天眼收到1351光年外脉冲星信号”云云，说的就是这事。
　　当时接受采访的是国家天文台的钱磊副研究员。他在采访之后从紧张里回过味来，见到铺天盖地的“1351光年”，每每感到淡淡的忧伤。他表示，学界目前尚无对贝尔脉冲星的准确距离测量结果，1351光年这个数，纯属记者追问之下，按照一个简单的方法临时计算的数值（具体方法见下文），且没有进行误差分析，并不宜公开采用——遑论在某些阴谋论标题党口中变成“1351光年外的神秘信号”，更是让人看了头疼。
　　要知道在科学家心中，没有误差分析的测量值没有任何价值。
　　那从目前对贝尔脉冲星的研究来看，它的距离的误差范围有多大呢？
　　惊——人——的——大。
　　2012年，Verbiest等人发表在《天体物理学报》上的一篇文章（2012 ApJ 755 39）给出，贝尔脉冲星的距离是1000光年+2600光年-700光年，误差上下限之差达3000余光年，误差范围比测量值1000光年还要大几倍——这是什么意思呢——这说明，我们只是非常、非常、非常笼统的知道这颗星在哪。
　　好了，我们正式的看一看，1351光年也好，1.56万光年也好，是怎么估计出来的。
　　我们和大部分脉冲星，都生活在银河系这个巨大的宇宙都市之中。有都市就有雾霾——地球上的雾霾让落日变得红彤彤的，这是因为波长较短的蓝光被散射掉了，只剩红光。
　　宇宙中的“雾霾”和电磁波发生作用的机理在此处不尽相同：在银河系旋臂——这座宇宙都市的主干道——上，点缀着很多明亮的大质量恒星，这些能量饱满的巨人发出大量的高能光子，将周围的中性气体（主要是氢）电离，制造很多“电离氢”区，那里，大量的自由电子欢呼着“We're free! We're free!”，四处乱窜。

　　临近银河系的星系M33，红色的是包含大量自由电子的电离氢区。图片来源：罗威尔天文台
　　当脉冲星发出的光穿越这些自由电子组成的“雾霾”时，神奇的事情发生了：频率较低的光子与自由电子发生较强的相互作用，传播的速度被拖慢了一些；而频率较高的光子受到的阻滞反而相对较弱，没有被拖慢那么多。
　　这样等到脉冲星的光完成“星际穿越”到达地球时，频率高的光子会先到，频率低的光子会后到，它们之间的差异被称为“色散量”。色散量直接与脉冲星信号穿过的自由电子总量（“柱密度”）相关，因而如果我们能通过其他方式先行绘制银河系中自由电子的分布地图，就可以按图索骥地计算出脉冲星的距离了。

　　FAST试观测时观测到的贝尔脉冲星的色散。图片来源：国家天文台
　　钱磊老师在对贝尔脉冲星距离的数量级估计中，简单的使用了银河系中的平均自由电子密度，得出了与其他研究结果相符合的距离数量级（一千光年的数量级），只因计算器上小数点前刚好出现1351四个数字，被并无恶意的媒体裹挟着制造了一则“假新闻”。钱老师的遭遇，可以算是科学家与媒体沟通失效的一个典型例子。
　　而FAST发现的首颗新脉冲星的距离，同样是使用上述原理估计，只不过使用了最新的、更加准确详实的自由电子分布“地图”，因此1.56万光年相对来说是靠谱一些的，误差范围估计只有上下几百光年。但由于这个脉冲星刚刚发现，观测次数有限，目前还不能给出更严谨的误差估计。
脉冲星：诺奖摇篮

脉冲星于1967年发现，时隔仅7年，1974年的诺贝尔物理学奖就颁发给了脉冲星发现者贝尔同学——的导师——安东尼·休伊什（Antony Hewish）。这在诺贝尔奖“中奖”的缓冲时间中，算是快的了。

　　可以说脉冲星甫一进入人们的视野，就吸足了眼球。这是因为对天文学家来说太重要、太有用了。
　　脉冲星之所以重要，是因为它的极端物理性质：首先，它有与原子核相当的高密度，是天然的极端物态实验室；而这么大质量的物体如此高速运动，又使其成为极端相对论性的天体。那里的时空环境跟我们所处的非相对论性天体的环境将会有显著的不同。

　　蟹状星云及其脉冲星，宋代所载“天关客星”的遗迹。该图与本段文字无关。图片来源：NASA/HST/CXC/ASU/J. Hester et al.
　　脉冲星的长周期稳定性非常好，有些甚至优于原子钟；但其周期又不是毫无变化：在光滑的脉冲星表面，偶尔也会发生一些小型的“地震”，这样的星震会使其自转周期发生微小的变化。
　　我们知道，人类之所以能够了解地球内部分为地壳、地幔和地核的结构，是通过对地震波在全球传播模式的监测；而脉冲星上的星震怎样发生，同样有望向我们揭示它的本质——脉冲星究竟是中子星，还是夸克星？

利用地震波推断地球内部结构原理示意图。图片来源：石油百科

目前对脉冲星结构的猜测。图片来源：K.C. Gendreau et al. (2012), SPIE

　　脉冲星中转的尤其快的一族，被叫做毫秒脉冲星：顾名思义，它们的周期是以毫秒来计算的。如果有一颗脉冲星刚好位于双星系统中，我们还可以通过观测其脉冲频率的变化，推测出它在轨道上与同伴彼此绕转的情况。
　　PSR1913+16就是这样一颗位于双致密星系统中的脉冲星，罗素·赫尔斯（Russell Alan Hulse）、小约瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor, Jr.）两位天文学家，在休伊什获得诺贝尔奖的同年，使用阿雷西博望远镜发现。
　　这个发现太珍贵了。两颗致密星彼此绕转时，会强烈搅动周围的时空，以引力波的形式向外发射能量，同时逐渐消耗双星系统的势能、使得彼此越来越接近，绕转速度也会越来越快，损失能量的速率越来越高。由于广义相对论预言的轨道进动效应，双星之间距离最接近的时刻也在不断演化，而引力波辐射会给这个时刻带来额外的变化。
　　因而，只要可以确定双致密星系统轨道的变化过程，就可以检验广义相对论，更令人激动的是间接的验证引力波的存在——这是在近年来激光干涉引力波技术发展起来之前，我们得以验证引力波存在的一个捷径。

　　赫尔斯-泰勒脉冲星轨道近星点时刻相对于轨道不衰减情形的累计变化量，和广义相对论引力波辐射对轨道影响的预言(曲线)高度符合。图片来源：J. M. Weisberg and J. H. Taylor 2004
　　赫尔斯-泰勒脉冲星就是验证这一猜想的理想实验室。自其发现到90年代初，这对双星的轨道近星点时刻相对于轨道不衰减的情形累计有了大约10秒的变化，严格按照广义相对论所预言的轨迹演进，轨道周期的变化和引力波辐射预言高度一致。
　　即使在脉冲星周围转的不是大质量的致密星，而是小小的行星，我们也能通过脉冲星信号察觉到它们的存在。实际上，人类发现的第一颗太阳系外的行星，就是通过这种方法发现的。

脉冲星PSR B1257+12行星系统的艺术想象图。图片来源：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

　　现在，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）已经直接探测到引力波的存在，并为三位相关科学家赢得了2017年的诺贝尔物理学奖。但脉冲星观测仍然有机会再次在引力波探测领域一展身手：
　　当引力波扫过地球周围，它将在较大尺度上同时影响多颗脉冲星传播到地球的信号。如果我们对临近脉冲星的周期保持长期监测，就有望通过其周期的整体变化规律，探测到扫过银河系这一角的引力波的存在。

　　脉冲星计时阵列观测引力波。图片来源：David J. Champion
　　这被称为“脉冲星计时阵列”方法。
　　这个思路与LIGO相比，各有千秋：LIGO只能探测比较高频的引力波信号，而脉冲星计时阵列则专注于极低频的引力波信号：它能探测的引力波频率，比LIGO敏感的频率范围，要低10~12个数量级。
　　如果我们能完全掌握脉冲星周期的变化规律，脉冲星在未来几百年还将有一个重要的应用场景：
　　当人类的星舰驶向太阳系之外，脉冲星就成了茫茫星海中名副其实的灯塔。通过对脉冲星周期的监测，星舰可以随时掌握自身的运动速度，进而推算在宇宙中航行的坐标。这就是所谓“脉冲星导航”。亿万星辰、亿万荣光，人类伟大理想的实现，没有现今对脉冲星性质的扎实研究，是办不到的。

脉冲星导航艺术想象图。图片来源：德国马普地外物理研究所。图中星舰为电视剧“星际迷航”中的企业号。

“匠”心FAST

FAST望远镜与美国阿雷西博望远镜，是世界上唯二利用喀斯特地貌中的天然盆地修建的超大口径射电望远镜。在FAST落成前，阿雷西博望远镜已经独霸世界最大口径射电望远镜宝座50多年，利用其拔群的灵敏度做出了很多重大天文学发现。

　　阿雷西博望远镜望远镜的口径是305米，但作为一个固定在盆地中的望远镜，它难以通过移动主镜实现自由四顾，只能通过移动副镜与馈源的方式，接收不同方向的电磁波。

　　阿雷西博望远镜的副镜舱（馈源舱），和用来控制其移动指向的悬架系统。图片来源：David Broad
　　但阿雷西博望远镜的主镜面是完全固定的球面，成像是不完美的，为了对像差进行改正，上图所示的馈源舱本身需要对信号做二次、三次反射，复杂的光路让它不得不变得非常笨重：它重达500多吨。
　　FAST最大的工程创新在于，它的主镜面采用了主动面技术，每一块面板都可以在促动器的驱动下上下运动，把镜面从初始的球面形灵活地变成抛物面型，通过主镜的主动变形来实现对天体的跟踪，同时实现对像差的改正。所以FAST望远镜的馈源舱外观非常简洁，没有复杂的悬架结构，只要用6根柔性索吊着就可以。

                               
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FAST望远镜的馈源舱。图片来源：新华社

                               
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FAST望远镜的面板促动器。图片来源：China Daily

　　当然，饭要一口一口吃，望远镜要一步一步调。
　　FAST望远镜在工作时，2225个促动器和6根馈源舱柔性索需要精确、协调的同时运动，要克服天气等因素对定位测量带来的干扰，在500米的巨大尺度上把位置精度控制在毫米数量级，挑战是巨大的。
　　所以要想实现主动面跟踪，FAST望远镜至少要实现三个“小目标”：第一步，能让镜面变形到一个特定的形状；第二步，能让镜面连续变形到指定的形状；第三步；能让镜面长时间、连续变形到指定的形状。
　　现在经过初光一年以来的调试，FAST望远镜已经完成了第二步，并有望在明年实现第三步，从而达到设计能力，完成其两到三年调试期的目标，通过国家验收、正式进入正常运行状态。
　　能在一年的时间内完成到第二步，还能在技术调试的空隙中挤点时间发现几颗脉冲星，FAST工程和科学团队可以说是棒棒的，给了我们一个小惊喜。
　　FAST的主要科学目标除了脉冲星科学，还有其他几项：它想要研究银河系中弥漫的氢原子气体的分布；它想要研究星际分子以及羟基（OH）发射的星际“激光”（脉泽）；它想要找到更多未知的星系。
　　以往在其他望远镜进行这些研究时，会根据不同研究的需求，设计不同的观测方案。但FAST团队的雄心是在较短时间内，对FAST可观测区域的整个北天球部分进行完整的巡测，并同时兼顾上述四个科学目标，实现高效的科学产出。

                               
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巡天范围：天球赤道坐标系纬度（赤纬）-1到52度。图片来源：国家天文台

　　对这样雄心勃勃的大型巡天来说，FAST在明后年即将具备的实时跟踪能力反而显得有点多余：我们不是只想看天上哪一块，何必非要跟踪、来回切换目标的折腾，纯属浪费时间。
　　我们只要把望远镜对着一个方向，让地球自转带着天体一个个扫过望远镜注视的方向，就可以坐等望远镜完成这（在天球上指定纬度范围内的）全天巡测——这个方案最高效、可靠。完成上述天区的扫描，共需要220个观测日。考虑到同时进行的技术调试所需占用的时间，这项巡天计划需要1到2年的时间来完成。
　　你见过星轨照片吧，就“坐观其成”而言，差不多是一个意思。

                               
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星轨。图片来源：Yuri Beletsky Nightscapes

　　这样的巡天方式，叫做“扫描巡天”。用扫描巡天观测同时探索多项科学目标，这是我们正在逐步建立的世界首创的观测模式。
　　这项巡天计划，被命名为“FAST多科学目标同时扫描巡天”，英文简称CRAFTS。
　　Craftsman是“匠人”的意思。CRAFTS巡天，是FAST人的匠心之作。

                               
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CRAFTS巡天标志。图片来源：国家天文台

　　FAST在开展CRAFTS的扫描巡天观测时，每个天体经过望远镜的有效积分时间只有短短数秒。但研究者们预期，在CRAFTS巡天中，FAST仍能凭借其超强的灵敏度，在已经被英美等国射电望远镜犁了几十年的北天球，发现数百颗新脉冲星。
　　我们可以期待，在“脉冲星发现60年”的图表上，将出现一个巨大的新色块。
　　它属于FAST，属于老南和所有继续奋战着的FAST人，属于中国，属于世界。
　　后记：
截至发稿，已获得确认的FAST新发现脉冲星已经达到6颗。
全部已确认新发现脉冲星名单见：http://crafts.bao.ac.cn/pulsar/fast_all_pulsar_list/
　　本文经中国科学院国家天文台授权，由果壳科学人与国家天文台自媒体平台同步刊发。