宇宙灯塔： FAST脉冲星探索之旅
中科院物理所 · 科学与科普
钱磊、潘之辰 2026-09-06 13:38 北京 以下文章来源于：中国国家天文 中国国家天文 《中国国家天文》杂志官方微信，国家天文台主办，特邀顾问李政道。本刊着力于天文人文结合，涉及天文学、空间科学及航天、地理、历史、哲学等。为美国著名天文杂志《Sky&Telescope》中国独家版权合作者，内容权威，图片精美。欢迎订阅。 脉冲星 ， 是大质量恒星“死亡”后留下的致密残骸，属于中子星的一种。脉冲星的典型质量和太阳相当，但直径只有大约20千米。想象一下，如果把一个太阳压缩到一座城市的尺寸，就得到了一颗中子星。由于质量巨大且体积较小，脉冲星很难受到外界的干扰，自转极其稳定，宛如 宇宙中精准的“原子钟” 。 脉冲星概述图 脉 冲星的磁轴与自转轴通常不重合，两个磁极发出的辐射束会随着星体旋转扫过空间，就像宇宙中的灯塔。当这束光扫过地球时，我们就能接收到规律的脉冲信号。通过精确测量脉冲到达的时间，科学家不仅能研究脉冲星本身，还能探测星际介质、太阳系天体运动，甚至捕捉引力波的踪迹。 虽然部分脉冲星在全电磁波段都有辐射，但目前我们主要依靠射电波段来发现它们。 / FAST的第一颗脉冲星： 古老天文知识的再次闪光 射电天文诞生的标志是 卡尔·央斯基发现来自银河系中心（银心）的射电辐射 。 所谓发现，并不只是探测到信号，而是能理解信号并给出合理的解释。 20世纪30年代，央斯基在调试天线时，探测到了来自银心的射电信号，但他并不能确定其来源。坚持观测一年后央斯基发现，等效来看，这个信号经过中天的时间每天都提前约四分钟。这是一个重要的天文学量，就是恒星日和太阳日的时差。由此，央斯基最终确认，这个信号是来自宇宙深处的射电信号，并且信号来自银心方向。这标志着射电天文学的诞生。 脉冲星的发现复刻了这一经典模式。 1967年，乔斯林•贝尔发现脉冲星时所采用的观测模式和央斯基相同，也是“中星仪扫描”（漂移扫描），借助地球自转让望远镜的指向扫过天空。和央斯基一样，贝尔也发现一个信号每天提前约四分钟出现。作为优秀的天文工作者，贝尔也很快意识到这个信号非同寻常，它一定来自宇宙深处。在较高的时间分辨率下，可以看到这个信号是 一系列周期性脉冲 。由此，贝尔发现了第一颗脉冲星。 目前，世界最大的单口径球面射电望远镜是我国的五百米口径射电望远镜——中国天眼（FAST）。FAST于2016年9月25日建成，此后开始了紧张的调试。作为调试的重要内容，在FAST还不能稳定跟踪观测目标的时候，我们开展了中星仪扫描模式。这个选择正是基于央斯基和贝尔的经验。到2017年8月初，有了性能更好的致冷超宽带接收机，也有了足够的经验后，喜从天降，我们从数据中发现了一个脉冲星候选体，其大致位置、周期和色散都与已知脉冲星不同。为了避免误报，我们和先贤一样，又进行了几次观测，以确认这个信号并非干扰，最终将其证认。 这个候选体出现的时间也是“每天提前四分钟”，这是FAST发现的第一颗脉冲星。 / FAST的系统性脉冲星发现： 同时脉冲星巡天和银道面巡天等 “中星仪扫描”脉冲星搜寻在FAST具备跟踪能力，开始正常观测之后仍然在继续进行，只是变换了一种形式。 “中星仪扫描”是银河系以及河外中性氢巡天的重要观测模式 。由于射电观测中光子数较多且可以通过电子线路实现放大，信号可以分为多路，接入不同后端。由此，FAST 实现了“同时观测多种科学目标”。 FAST在开展中性氢巡天的同时，也进行了脉冲星搜寻。这是一项高难度挑战。中性氢巡天需要注入用于流量定标的定标噪声，因为需要探测银河系中性氢中的小尺度结构，这种噪声的周期不能太长。然而，这样的周期性噪声和脉冲星信号非常类似，通常的定标噪声注入，会导致脉冲星搜寻完全无法进行，而FAST为了能在探测银河系中性氢的同时搜寻脉冲星，创新性地 注入了高频噪声信号（频率高于通常的脉冲星自转频率） ，这使得在对银河系中性氢观测定标的同时，也可以进行脉冲星搜寻。借此方法，FAST在探测银河系中性氢的同时发现了超过两百颗脉冲星。 鉴于迄今发现的绝大多数脉冲星都位于银河系内，所以在银盘附近脉冲星发现概率更高。FAST进行了银道面脉冲星巡天，采用了大天区盲巡的方式，每个方向积分5分钟，目前已经发现了超过800颗脉冲星。 另外，FAST的河外中性氢星系巡天通常要避开银道面，虽然预期同时搜寻脉冲星的效率要低于在银河系中性氢巡天时搜寻脉冲星，但是通过优化数据存储策略和采用更高效的搜索算法，FAST近期也开始在河外中性氢巡天的同时搜寻脉冲星，并且在今年开始发现脉冲星。 / 特定目标的脉冲星发现： 球状星团、伽马射线点源和超新星遗迹 球状星团是百万颗小质量恒星聚集在一起形成的古老天体，其演化年龄被认为长达百亿年。 作为支持上述论断的证据之一，其中发现的脉冲星大多为毫秒脉冲星和脉冲双星，并