近幾天，一則有關中國一口舉世聞名的「大鍋」的消息，上了各大新聞平台——「中國天眼」FAST 已經發現了883 顆脈衝星，並且計劃年內將這個數字刷新到1000顆。

圖片截自央視新聞頻道

那麼，脈衝星究竟是什麼呢？為什麼要大費周章地找，找到以後又有什麼用呢？今天咱們就來仔細聊聊，順便再跟大家分享點關於FAST 的小八卦。

脈衝星是指瘋狂閃爍的星星嗎？

先說說「脈衝星」。從地球看來，脈衝星是週期性地閃爍電磁脈衝的天體，脈衝間隔極短，從幾毫秒到上百秒不等。不過，脈衝星並不是真的在閃爍，所謂脈衝，只是脈衝星以發瘋般的速度旋轉所造成的假象。

那脈衝星是怎麼來的呢？其實是恆星「內心拉扯」的結果。

我們肉眼能看到的「正常」恆星，內部都有兩股力量在相互抗衡：引力驅使恆星物質向核心墜落，而核融合釋放的能量則把物質向外推。

核融合的燃料總有用完的一天，所以引力總能最終贏得這場角力。當一顆大質量恆星（例如，超過8 倍太陽質量）最終耗盡所有燃料時，它就會向中心坍縮，發生猛烈的內爆，再向外彌散，迸發出一朵絢爛的「煙火」。這個過程叫做「超新星爆發」。

北宋至和元年（1054 年），金牛座的「天關」星宿附近爆發過一顆超新星，白天可見23 天，夜晚可見22 個月。這起超新星爆發被中國的天文學家記錄下來，史稱「天關客星」。

塵煙散去，在恆星原來的位置，可能會留下一顆非常緻密的天體－中子星。在其內部，原子結構不復存在，電子被壓入原子核，與質子結合為中子。中子星的質量超過1.4 個太陽，直徑只有十幾公里。換句話說，每立方公分的中子星物質，相當於全球人類的質量總和！

中子星也繼承了恆星殘餘質量的旋轉角動量。在同樣的角動量下，轉速與半徑的平方成反比。我們每每看到，冰舞選手在旋轉時把雙臂收攏或舉到頭頂，就會猛然滴溜溜地轉得飛快。同理，當恆星坍縮為中子星後，轉速會成億倍地飆升。

脈衝星的射電脈衝掃過地球。Michael Kramer製作

中子星具有強磁場，驅動其周圍的帶電粒子，發出強烈的電波輻射束，從它的兩個磁極噴湧而出。如果隨中子星自轉的輻射束正好掃過地球，我們就能測到週期性的射電脈衝，就好比某些迪廳的特效燈總是在轉圈圈，雖然燈光一直開著，但從一個方向看過去就時亮時暗。嗯，這麼一比喻，那脈衝星可以說屬於是恆星的遺體在自己墳頭蹦迪了…

前面提過的天關客星，就留下了一顆週期33 毫秒（每秒自轉30 圈）的脈衝星，拋散出的漸冷煙火則是著名的蟹狀星雲。

蟹狀星雲。圖源NASA

在全球發現的3,000 多顆脈衝星中，絕大多數是中子星，但也有2 顆是白矮星（仍保有原子結構的低質量恆星遺骸）：天蠍座AR 和寶瓶座AE。

FAST 可不是「快」的意思

大部分脈衝星在可見光波段沒有顯著輻射，而在電波波段看起來比較亮。幸運的是，在地球這邊，大氣層對電波波段相當優待，透明度極高，所以電波望遠鏡特別適合在地面上觀測脈衝星。

地球大氣層對各波長電磁波的屏蔽。圖源NASA

接下來就說說咱們的FAST。

FAST 的名字來自「500 公尺口徑球面射電望遠鏡」（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）的英文縮寫。這座巨型單碟射電望遠鏡坐落在貴州省平塘縣大窩氹（dàng），依照喀斯特地形的天然窪地而建，2011 年開工，2016 年落成，是目前世界第一大的全口徑均有反射面的射電望遠鏡（俄羅斯的RATAN-600 口徑雖有576 米，卻只有細細一圈反射環）。

FAST 鳥瞰。圖源FAST 官網

——順便說說，大家可能覺得FAST 這個縮寫聽起來很酷，但全名卻顯得太直白了。沒辦法，“縮寫不明厲，全稱真沒創意”這是天文界的傳統，比如TMT 是“30 米望遠鏡”，VLT 是“甚大望遠鏡”，ELT 是“特大望遠鏡”，EELT 是“歐洲特大望遠鏡」。韋布空間望遠鏡聽起來是不是還算正常？但它最初的名字其實是「下一代空間望遠鏡」（相對於哈伯而言）…

為什麼射電望遠鏡都這麼大？這是因為在相同的解析度需求下，要觀測的波長越長，「鍋」的口徑就得越大，不然就看不清楚了。在紅外線波段工作的韋布望遠鏡比主攻可見光的哈伯望遠鏡口徑大（6.5 公尺vs 2.4 公尺），而電波望遠鏡要觀測的波段，比這兩個還要高5、6 個數量級，那是真非往大了整不可了，口徑就是正義用在這裡是一點都沒錯。

細心的讀者可能還有兩個問題：

①球面其實無法將遙遠星光匯聚到單一焦點，得用拋物面才行，FAST 為何要做成球面望遠鏡？

②一口大鍋這麼擺在地上，豈不是只盯著天頂一點，就算隨著地球自轉，也只能掃描天頂所在的這個圓？

實際上，這是一個常見的誤解，也是科普的時候使用簡略類比帶來的負面影響。因為形狀的關係，我們很喜歡把各類電波望遠鏡稱為「鍋子」。但這樣一來，我們的思維也會被誤導，容易覺得FAST 也像咱們家炒菜的大鐵鍋一樣，硬邦邦一整個，形狀不會改變，但實際上，FAST 的身段靈活得很。

FAST 由4450 片反射板拼成，透過馬達驅動，這些反射板能夠改變姿態，當一片區域的反射板在統一指揮下規律地調整，就能在“鍋”裡泛起一片“漣漪”，改變鏡面的形狀。

經「FAST 之父」南仁東和團隊的計算，只需和球面偏離0.47 米，就可以把口徑300 米的球面改成拋物面，把射電信號聚焦在一點。所以，在任意時刻，FAST 只有一片口徑300 公尺的圓形工作區域。透過反射板的齊心協力地調整，這個工作區能在“鍋”裡自如“漂移”，所以可觀測天區的範圍相當廣。

倘若保持完整的300 公尺口徑，能從北緯52.2°（工作區緊貼鍋南沿）觀測到南緯0.6°（工作區緊貼鍋北沿）。如果願意犧牲一點有效口徑，則可以覆蓋北緯65.8° 到南緯14.2° 的天空。

FAST 光路，黃色虛線是拋物面工作區·圖源南仁東《FAST專案介紹》

觀測脈衝星有什麼實際應用？

FAST 發現這麼多脈衝星，那麼觀測脈衝星有什麼實際應用？它的用處還真是不少。

當脈衝星發出的訊號穿越星際時，會被沿途的電離氣體阻礙，造成延遲。路程越長，電離氣體越多，遲到越嚴重。如果知道了脈衝星離我們有多遠，再透過精密測量延遲的程度，就能反推訊號沿途的星際介質分佈。

影響脈衝星訊號的還有磁場，當電磁訊號經過磁場時，它的偏振屬性會被改變，磁場越強，改變幅度越大。測量訊號的偏振，能夠反推訊號沿途的磁場分佈。

當超大質量天體擾動時空時，會產生重力波，改變脈衝星訊號到達我們的時間。所以透過精確測量脈衝星周期的起伏，可以探測重力波。倘若能發現脈衝星-黑洞雙星系統，觀測一個穩定輸出的天體和一個扭曲時空的天體如何攪拌乾坤，就更能檢驗廣義相對論的預言，大大推動基礎物理研究。

脈衝星的自轉週期非常穩定，有些在長期表現上堪與原子鐘媲美，它們“永不斷電”，可比原子鐘皮實多了。將脈衝星和原子鐘結合起來，可以建立長時間穩定的精準時間系統，甚至用於星際導航。

旅行者「地球之聲」金唱片左下方以14顆脈衝星指示太陽系的方位。圖源NASA

最後總結一下，FAST和它發現的脈衝星們，會幫助我們更認識宇宙，而這些發現，說不定有朝一日還能夠幫助人類在星海中航行。