探秘脉冲星：宇宙中最精确的时钟

前面的文章中详细介绍了中子星，脉冲星（来自脉动射电源）是中子星的一种，确切来说，它是高度磁化的旋转中子星，从其磁极发射电磁辐射束。仅当发射光束指向地球时才能观察到这种辐射（类似于仅当光指向观察者的方向时才能看到灯塔的方式），并且导致发射的脉冲出现。中子星非常致密，并且具有短而规则的自转周期。对于单个脉冲星来说，这会产生非常精确的脉冲间隔，范围从毫秒到秒。脉冲星是超高能宇宙射线源的候选者之一。

钱德拉的X射线望远镜以及WISE红外望远镜对脉冲星PSRB1509−58的观测

脉冲星的周期使它们成为天文学家非常有用的工具。对双中子星系统中脉冲星的观测被用来间接证实引力辐射的存在。1992年，在脉冲星PSRB1257+12周围发现了第一颗太阳系外行星。1983年，检测到某些类型的脉冲星，当时其计时精度超过了原子钟。

脉冲星的“灯塔”效应示意图，只有在特定方向上才能接收到脉冲信号

当大质量恒星的核心在超新星爆发过程中被压缩并塌缩成中子星时，导致脉冲星形成的事件就开始了。中子星保留了大部分角动量，并且由于它的半径仅为其前身星的一小部分（因此其转动惯量急剧减小），因此它以非常高的旋转速度形成。辐射束沿着脉冲星的磁轴发射，脉冲星随着中子星的旋转而旋转。脉冲星的磁轴决定了电磁束的方向，磁轴不一定与其旋转轴相同。这种错位导致中子星每旋转一次就会看到一次光束，从而导致其外观的“脉冲”性质。

脉冲星的示意图。中间的球体代表中子星，曲线代表磁场线，突出的圆锥体代表发射束，绿线代表恒星旋转的轴

在旋转驱动的脉冲星中，光束是中子星旋转能量的结果，中子星的旋转能量通过非常强的磁场的运动产生电场，导致星体表面质子和电子的加速并产生从磁场两极发出的电磁束。NICER对PSRJ0030+0451的观测表明，两束光束均源自位于南极的热点，并且该恒星上可能存在两个以上的此类热点。随着电磁功率的发射，这种旋转会随着时间的推移而减慢。当脉冲星的自转周期充分减慢时，射电脉冲星机制被认为会关闭（所谓的“死亡线”）。这种关闭似乎发生在大约1千万年到1亿年之后，这意味着在宇宙136亿年诞生的所有中子星中，大约99%不再脉动。

蟹状星云的光学/X射线合成图像，脉冲星周围星云中的同步加速器发射，中心脉冲星的磁场和粒子提供动力

尽管人们普遍认为脉冲星是快速旋转的中子星，但马克斯·普朗克地外物理研究所的沃纳·贝克尔(WernerBecker)在2006年表示，“即使经过近四十年的研究，脉冲星如何发射辐射的理论仍处于起步阶段工作。”

脉冲星的发现使天文学家能够研究以前从未观察到的物体：中子星。这种物体是唯一可以观察到物质在核密度下的行为的地方（尽管不是直接观察到的）。此外，毫秒脉冲星还可以在强引力场条件下测试广义相对论。以下是一些具体的应用场景：

1.星图：脉冲星地图已包含在两个先锋号的金属板以及旅行者号金色唱片上。它们显示了太阳相对于14颗脉冲星的位置，这些脉冲星是通过其电磁脉冲的独特定时来识别的，因此我们在空间和时间上的位置都可以通过潜在的外星智慧来计算。由于脉冲星发射非常规则的无线电波脉冲，因此其无线电传输不需要每日校正。此外，脉冲星定位可以独立创建航天器导航系统，也可以与卫星导航结合使用。

太阳与银河系中心的相对位置以及14颗脉冲星及其周期，显示在先锋号探测器的金属片上

2.脉冲星导航：基于X射线脉冲星的导航和授时(XNAV)或简称脉冲星导航是一种导航技术，利用脉冲星发出的周期性X射线信号来确定飞行器（例如深空航天器）的位置。使用XNAV的车辆会将接收到的X射线信号与已知脉冲星频率和位置的数据库进行比较。与GPS类似，这种比较可以让车辆准确计算其位置（±5公里）。使用X射线信号相对于无线电波的优点是X射线望远镜可以做得更小、更轻。2018年已有实验演示报道。

3.精确时钟：一般来说，脉冲星发射的规律性无法与原子钟的稳定性相媲美。它们仍然可以用作外部参考。例如，J0437−4715的周期为0.005757451936712637s，误差为1.7×10−17s。这种稳定性使得毫秒脉冲星可用于建立星历时间或构建脉冲星时钟。计时噪声是在所有脉冲星中观察到的旋转不规则性的名称。这种定时噪声可以通过脉冲频率或相位的随机漂移来观察。目前尚不清楚定时噪声是否与脉冲星毛刺有关。根据2023年发表的一项研究，在脉冲星中观察到的定时噪声被认为是由背景引力波引起的，也可能是由脉冲星内部（与超流体或湍流的存在有关）和外部（由于磁层活动）扭矩的随机波动引起的。

4.星际介质探测器：脉冲星的辐射在到达地球之前会穿过星际介质（ISM）。ISM和HII区域的温暖(8000K)电离成分中的自由电子以两种主要方式影响辐射。由此产生的脉冲星辐射变化为ISM本身提供了重要的探测。

此外，ISM中的密度不均匀性会导致脉冲星发出的无线电波发生散射。由此产生的无线电波闪烁——与地球大气层密度变化导致的可见光中恒星闪烁的效果相同——可用于重建有关ISM中小尺度变化的信息。由于许多脉冲星的速度很高（高达数百公里/秒），单个脉冲星会快速扫描ISM，从而导致闪烁模式在几分钟的时间尺度内发生变化。这些密度不均匀性的确切原因仍然是一个悬而未决的问题，可能的解释包括湍流和电流片。

5.时空探测器：在银河系中心超大质量黑洞SgrA*周围的弯曲时空内运行的脉冲星可以充当强场状态下的引力探测器。[60]脉冲的到达时间会受到狭义相对论和广义相对论多普勒频移以及无线电波穿过黑洞周围强烈弯曲时空的复杂路径的影响。为了用现有仪器可以测量广义相对论的影响，需要发现轨道周期小于约10年的脉冲星；[60]此类脉冲星的轨道距离SgrA*0.01pc以内。目前搜寻工作正在进行中；目前，已知有五颗脉冲星位于距SgrA*100pc范围内。

6.时空探测器:在银河系中心超大质量黑洞SgrA*(天鹅座A)周围的弯曲时空内运行的脉冲星可以充当强场状态下的引力探测器。脉冲的到达时间会受到狭义相对论和广义相对论多普勒频移以及无线电波穿过黑洞周围强烈弯曲时空的复杂路径的影响。为了用现有仪器可以测量广义相对论的影响，需要发现轨道周期小于约10年的脉冲星；此类脉冲星的轨道距离SgrA*0.01pc以内。目前搜寻工作正在进行中；目前，已知有五颗脉冲星位于距SgrA*100pc范围内。

7.引力波探测器：目前国际上有三个组织使用脉冲星来寻找引力波。在欧洲，有欧洲脉冲星定时阵列（EPTA）；澳大利亚有帕克斯脉冲星定时阵列（PPTA）；加拿大和美国有北美纳赫兹引力波观测站（NANOGrav）。这些组织共同组成了国际脉冲星计时阵列（IPTA）。来自毫秒脉冲星（MSP）的脉冲被用作银河时钟系统。地球上可以测量时钟的干扰。来自经过的引力波的扰动将在整个脉冲星群中具有特定的特征，因此可以被检测到。

费米伽马射线太空望远镜探测到的伽马射线脉冲星

乔斯林·贝尔首次识别脉冲星证据的图表，在剑桥大学图书馆展出

1974年，JosephHootonTaylor,Jr.和RussellHulse首次在双星系统中发现了一颗脉冲星，PSRB1913+16。这颗脉冲星绕着另一颗中子星运行，轨道周期仅为八小时。爱因斯坦的广义相对论预测，这个系统应该会发出强烈的引力辐射，导致轨道在失去轨道能量时不断收缩。对脉冲星的观测很快证实了这一预测，提供了引力波存在的第一个证据。截至2010年，对这颗脉冲星的观测继续符合广义相对论。1993年，泰勒和赫尔斯因发现这颗脉冲星而获得诺贝尔物理学奖。

·第一颗射电脉冲星“CP1919”（现称为PSRB1919+21）于1967年被发现，脉冲周期为1.337秒，脉冲宽度为0.04秒。

·第一个双脉冲星PSR1913+16，由于以广义相对论预测的精确速率发射引力辐射，其轨道正在衰减。

·最亮的射电脉冲星，船帆脉冲星。

·第一颗毫秒脉冲星，PSRB1937+21

·最亮的毫秒脉冲星，PSRJ0437−4715

·第一颗X射线脉冲星CenX-3

·第一个吸积毫秒X射线脉冲星，−3658

·第一颗有行星的脉冲星，PSRB1257+12

·第一颗观测到受到小行星影响的脉冲星：PSRJ0738−4042

·第一个双脉冲星双星系统，PSRJ0737−3039

·最短周期脉冲星PSRJ1748−2446ad，周期约为0.0014秒或约1.4毫秒（每秒716次）。

·周期最长的中子星脉冲星，PSRJ0901-4046，周期为75.9秒。

·周期最长的脉冲星，为118.2秒，也是已知的仅有的两颗白矮星脉冲星之一，ARScorpii。

·第一颗白矮星脉冲星AEAquarii。

·周期最稳定的脉冲星，PSRJ0437−4715

·第一颗具有2个恒星质量伴星的毫秒脉冲星，PSRJ0337+1715

·PSRJ1841−0500，停止脉冲580天。已知仅有的两颗停止脉冲超过几分钟的脉冲星之一。

·PSRB1931+24，有一个周期。它脉冲大约一周，停止脉冲大约一个月。[66]已知仅有的两颗停止脉冲超过几分钟的脉冲星之一。

·+6124最强磁脉冲星，1.6×10^13G.

·PSRJ0952-0607最重脉冲星2.35±0.17M☉。

·PSRJ1903+0327，一颗约2.15毫秒的脉冲星，被发现位于一个具有类太阳恒星的高度偏心双星系统中。

·PSRJ2007+2722是一颗40.8赫兹“回收”的孤立脉冲星，是志愿者根据2007年2月采集的数据发现的第一颗脉冲星，并由分布式计算项目Einstein@Home进行分析。

·PSRJ1311–3430，通过伽马射线脉动发现的第一颗毫秒脉冲星，也是轨道周期最短的双星系统的一部分。