7年超1000颗！“中国天眼”为何紧盯脉冲星

近日，中国科学院国家天文台射电研究部主任韩金林在 2025 科普中国说带来演讲《 7 年超 1000 颗！“中国天眼”为什么要探测脉冲星?》，一起探索星系演化的奥秘。

以下是韩金林的演讲节选：

“中国天眼”建成后，主要的科学研究目标是探测银河系的氢元素跟脉冲星。

为什么要探测脉冲星？这要从银河系的恒星说起。你可能不知道的是，银河系里的每一颗恒星都是“活”的，都拥有完整的生命周期，会经历诞生、演化直至死亡的全过程。这些恒星不断新生与消亡，其中最亮的恒星勾画出银河系的旋涡结构。

银河系呈扁平状，拥有银盘与银晕，银盘内存在大量气体。这些气体最初以氢原子形态存在，冷却后会形成氢分子云（分子云），恒星便在分子云中诞生。恒星诞生后，会电离周边气体。恒星初始由氢、氦元素构成，后续逐步合成碳、氩、氮乃至铁等元素，最终因质量不同，走向不同结局：质量超过 30 个太阳的恒星会形成黑洞；质量在 10-30 个太阳之间的恒星会形成中子星；质量小于几个太阳的恒星则会形成白矮星。

中子星是一种特殊天体，密度极高、磁场极强，旋转时会产生脉冲。银河系内因此存在大量恒星死亡后经超新星爆炸形成的中子星。

图片来源于韩金林PPT

1967-1968 年，英国 Hewish 教授及其学生通过无线电波阵发现了脉冲信号。这个波动跟地球上汽车开过去的干扰信号非常相似，但是 Hewish 教授的学生通过仔细观察，发现了其中的细微区别，后来，他们发现这个信号会每天提前 4 分钟到达——这是来自天上的信号和来自地球的信号的区别，最终确认它来自中子星，就是现在大家说的脉冲星。Hewish 教授也因此获得诺贝尔奖。

图片来源于韩金林PPT

自 1968 年脉冲星被发现以来，人类已经探索其诸多特性。作为恒星死亡后的致密天体，脉冲星处于极端物理环境中，密度、磁场、引力场极强，自转速度也快得惊人——与太阳质量相当的脉冲星每秒转速可达 700 圈——这表明其星体结构异常坚固。

不过，到目前为止，尽管人类已经探测了 50 多年，仍然不太清楚银河系当中究竟有多少个脉冲星或者多少个恒星死亡以后变成中子星，到目前也没有明确银河系中脉冲星的具体数量及其分布。

在物理研究层面，过去认为中子星由纯中子构成，但有理论家提出中子可能分解为夸克，中子星内部可能是夸克态。人类看到了脉冲星的辐射，但脉冲星如何产生辐射，即辐射物理机制也尚未明确。此外，脉冲星信号的传播特性可用于探测银河系星际介质；其稳定的自转特性，还能辅助探测遥远宇宙的引力波。

值得注意的是，银河系内超三分之二的大质量恒星处于双星系统。恒星死亡后，双星系统中的两颗星体仍会相互吸引、交换物质，最终可能形成两颗中子星互相绕转的系统。天文学家发现，这类双中子星系统会逐渐靠近，最终合并，过程中会通过引力波辐射释放能量。研究脉冲星的专家在 1993 年发现这类系统，获得了诺贝尔奖，间接验证了引力波辐射。这比引力波望远镜直接探测到引力波早了许多年。

图片来源于韩金林PPT

脉冲星的极端环境还会引发特殊物理现象。其表面极强的磁场随星体高速旋转时，会产生强大感应电场，加速粒子并辐射 γ 光子； γ 光子在强磁场中还可能转化为正电子与负电子，光子没有质量，正负电子有质量，因此实现“从无到有”的物质生成。

正因脉冲星蕴含大量待解的物理奥秘，全球所有大型射电望远镜均将其列为探测目标。

图片来源于韩金林PPT

在中国，南仁东等老一辈科学家推动建成了 FAST 。自 2016 年落成启动到 2019 年实验调试期间，FAST 调试团队便发现了多颗脉冲星。2019 年 FAST 开启“风险共担”项目，经测试确认性能优异后，我们的科研团队提出对 FAST 可观测的银河系区域进行全面巡天，希望找出区域内所有脉冲星。

为进一步优化效率，科研团队与 FAST 运行的技术团队一起开发了“快速快照模式”，使得 FAST 观测邻近天体目标的切换时间从 10 分钟缩短至几秒，每次切换稳定几秒后，就可以对每个天区点跟踪观测 5 分钟，3 次切换形成一个观测覆盖区，我们称为一个 Cover 。

“ FAST 银道面巡天”并不能随时随地都能巡测。FAST 位于山谷中，对 26.5 度附近天区观测效果最佳，有点类似“坐井观天”。科研团队只能每天利用银河经过观测天区的数小时进行观测。对观测的天体目标进行 5 分钟积分，使得观测灵敏度比其他望远镜高一个量级。

截至目前，FAST 已发现超 1000 颗脉冲星。要知道，之前，全球各国用各类望远镜 55 年共发现约 3000 颗脉冲星，FAST 仅用数年便取得这一傲人成绩。期待未来几年，FAST 发现脉冲星数量望超越澳大利亚（他们因银河在南半球天区，有观测优势），成为“脉冲星发现之王”。

FAST 发现的脉冲星具有独特价值：相比其他望远镜发现的脉冲星，FAST发现的脉冲星更暗弱（暗弱一个量级），填补了人类对银河系暗弱脉冲星认知的空白。此外，FAST 还发现了很多偶然发脉冲的天体，占比达到 15% ，远超之前人们认知的 5% 。

基于新发现的脉冲星，科研人员可以做各种各样的物理研究，比如说相对论理论的检验。科研人员观测到一颗脉冲星处于相伴天体后方时，受后方伴星的强引力场影响，脉冲到达时间会出现延迟，即“夏皮罗延迟”， FAST 能够测量到这一现象，且测量精度极高。我们已经测量了 6 例。

科研人员还发现了特殊的双星系统。比如下图的这颗脉冲星，它是一个中子星与一个氦星组成的双星系统。当氦星运行至脉冲星与地球之间时，会遮挡脉冲星信号，即掩食现象。

图片来源于韩金林PPT

该系统应该是双星中先形成的中子星钻到涨大的伴星里面，然后剥去伴星的外层之后形成的。这是双星演化理论中大家都认可的所谓公共包层演化环节，持续时间很短。双星系统从公共包层演化阶段形成后，生存时间也很短，因此极难发现。据南京大学教授的模拟，银河系内这类系统仅数十个。未来两颗星体将合并并释放引力波。

除了发现新脉冲星，FAST 在脉冲星辐射难题的研究中也做出了重要贡献。过去认为部分脉冲星会“停止辐射脉冲”，但 FAST 观测发现，这些“停止辐射”的阶段仍存在极微弱的“矮脉冲”，这类矮脉冲，时间很短、强度很低，一般的望远镜很难观测得很清楚。 FAST 已发现多个脉冲星有类似的辐射，为已经脉冲星辐射的物理过程提供了重要基础。

图片来源于韩金林PPT

国际学界对 FAST 脉冲星巡天成果高度认可，认为其取得了“非凡成就”。俄罗斯科学家感叹，FAST 在其他望远镜多次探测过的一个小的区域，仍能发现两百多颗脉冲星（目前已超1000颗），“让人震惊”；邵逸夫奖得主Lorimer 教授评价，“ FAST 巡天注定是超越世界最成功的巡天”，其成果将“深刻影响”对银河系中脉冲星和射电暂现源族群的认知。