捕捉时空之海的涟漪 脉冲星变身宇宙最精确时钟

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    人们常以为恒星如其名，是亘古不变的，但并不是所有的恒星都那么“乖巧”，它们中还存在一类“变星”，在光学波段的物理条件和光学波段以外的电磁辐射有变化。脉冲星，就是变星的一种。
    日前，一组国际研究人员探索到一个全新的方法，使得浩瀚宇宙中的脉冲星成为更为精确的宇宙之钟。校准这台“时钟”，将极大促进对宇宙涟漪——引力波的搜索工作，而引力波被称之为“爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明是对的组成部分”，它的出现将带领人们发掘宇宙起源最深处的奥秘。
    脉冲星的特有节拍
    1967年，剑桥大学的天文学家在狐狸座首次发现一颗脉冲星，当时引起了天文学界的极大轰动，相关发现者因此荣获1974年的诺贝尔物理学奖。
    这颗脉冲星发出的信号被彼时人们称为“宇宙中一盏闪烁的灯塔”，它发出有规律的脉冲信号且周期十分稳定，为1.337秒，精确到不像是自然界天体会发出的。据说，更早之前，一位著名天体物理学家就曾于猎户座发现颤抖的射电信号，但他却以为是自己的记录仪发生故障，对着仪器踢了一脚，于是颤抖信号消失，他也因此与诺贝尔奖失之交臂，事后念及后悔不迭。
    亦因为脉冲星的信号过于有规律，在一段时期内，人们甚至认为这是宇宙深处智慧生物发来的“联络电报”，第一颗脉冲星就一度被命名为“小绿人1号”。但在几位天文学家一年的努力后，终于证实，这确为一类天体，正是由于它的快速自转而发射出电脉冲。
    但恒星要成为脉冲星可并不容易，需要很强的磁场。而只有体积小、质量却大(即密度极高)的恒星，才有足够强大的磁场。人们一下子想到假说中的天体——中子星，在理论预言里，中子星密度大得惊人，完全符合脉冲星的强度和频率要求。于是，脉冲星又立一功，让中子星真正由假说成为事实，这是上世纪天文学上的一座里程碑。
    而脉冲星超高稳定的时间特征，使它显露出成为天文时钟的巨大潜力。
    宇宙之海荡起波纹
    引力波被专家称为“爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明是对的组成部分”，是指引力场从星体或星系中辐射出来的、以行进波的形式向外流动，简单说，其描述了时空中的波动向外传递的形式。预言中其传播速度等于光速。
    按理讲，深空中的突变性事件，如超新星爆发、黑洞形成、大型天体相撞这些过程，都能辐射出较强引力波，但事实上，在地球上进行的引力波直接搜寻的所有努力最终都以失败告终。因为，尽管这些波动的确造成地球上各处相对距离的变动，但当它们到达地球的时候已变得非常弱了，其变动的数量级对于地球最先进的引力波探测器来说，小于一颗质子直径的千分之一。因而引力波目前只能是广义相对论的预言。
    尽管真身未现，引力波可不是模糊的理论或难以捉摸的形态。天文学家已能通过观测双星轨道参数的变化，间接验证引力波的存在。脉冲星双星系统PSR1913+16，系统内有两颗中子星，以极其紧密快速的模式互相环绕对方，其呈现的渐进式旋近，旋近时率恰好是广义相对论所预期的值，证实了理论的准确说明。
    这次著名的观测实验再次产生了一届诺贝尔物理学奖得主，亦将脉冲星与引力波牵上了千丝万缕的联系。
    校准一台“宇宙时钟”
    脉冲星就像个“飞轮”般高速旋转，有的甚至可以达到每秒714圈，旋转过程中其磁场形成强烈的电波向外界辐射。
    科学家当然不会放过这个天然太空实验室。在对其深入研究后，人们发现脉冲星虽拥有强烈的规律性，但要想成为一台检测时空曲率的精密仪器，它的旋转还称不上“完美的稳定”。任何轻微的不规则变化都会大大降低它们作为时间仪器的价值。
    借助位于曼彻斯特焦德雷尔班克天文台的76米洛弗尔射电望远镜，科学家们对为脉冲星所发出的无线电信号进行了长达数十年的追踪，并最终取得了突破。由曼彻斯特大学教授安德鲁·莱恩领导的国际研究小组根据洛弗尔望远镜的数据，解释了脉冲星旋转的差异性，并阐述了一种能够校正它们的方法。
    小组人员将报告发表于6月末出版的《科学快讯》。据研究者称，他们得到的一个最突出成果，是发现了脉冲星其实是有两个自转速率而非只有一个，而脉冲星就在这两个速率之间进行着突然与不可预测的切换。
    这种切换所产生的变化，与脉冲星所散射出的脉冲形状变化密切相关。鉴于此，对于任何特定时间脉冲形状变化所做的精确测量，都已经暗含了对减速率的准确记录，可以此进行校正。这极大地提高了脉冲星们作为“宇宙时钟”的精确性能。
    令物理学家欣喜不已的是，这项结果推动了对宇宙学更深远的研究。其提供了一种全新见解，指出脉冲星这个处于极端物理条件下星体的状态。更为重要的是，对“宇宙时钟”的精确掌握，可使得探索引力波的实验更加精益求精，当引力波穿越“宇宙时钟”并致其发生任何变化时，人们可以获知并证明广义相对论的最后一个预言，进而一步步迈进宇宙的最神秘领域。