引言：在無(wú)垠的宇宙中，有一種非常神秘的存在，它被稱為“宇宙燈塔”，它究竟是什么東西呢？

知識(shí)點(diǎn)Ⅰ：“小綠人”的問(wèn)候

       1967年8月6日，英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，來(lái)自愛爾蘭的年僅24歲的美女博士研究生喬瑟琳·貝爾，在大量且紛亂的記錄紙帶中伏案工作，紙帶上記錄著射電望遠(yuǎn)鏡接收到的來(lái)自宇宙的無(wú)線電信號(hào)。突然，她察覺到一個(gè)強(qiáng)勁的，每隔1.337秒出現(xiàn)一次的脈沖信號(hào)，周期極其規(guī)則和精準(zhǔn)。這個(gè)信號(hào)來(lái)自狐貍座內(nèi)的一個(gè)特定的區(qū)域。她的導(dǎo)師安東尼·休伊什更具想象力地猜想這可能是外星人發(fā)送的電報(bào)，正在向整個(gè)宇宙進(jìn)行廣播，并且給它起了一個(gè)名字“小綠人”。

1899年，科幻故事中出現(xiàn)了關(guān)于“綠色皮膚的小外星人”的描述后，“小綠人”幾乎就成了外星人的代名詞。（來(lái)源：deviantart.com）

        接下來(lái)幾個(gè)月里，貝爾和同事又發(fā)現(xiàn)不同天區(qū)存在著另外3個(gè)周期各異的脈沖信號(hào)源。顯然，不可能有三個(gè)“小綠人”在不同方向、同時(shí)向地球發(fā)射不同的脈沖信號(hào)?？茖W(xué)的理智戰(zhàn)勝了科幻的妄想。他們?cè)俳?jīng)過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡的色散測(cè)量，得出脈沖信號(hào)源來(lái)自距離地球幾千光年的地方，這意味著信號(hào)源應(yīng)當(dāng)是銀河系中的某個(gè)天體。1968年，“脈沖星”這個(gè)名字首次出現(xiàn)在英國(guó)《自然》雜志刊登的論文中。脈沖星的意外發(fā)現(xiàn)后來(lái)被稱為20世紀(jì)天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一，為天文學(xué)和天體物理研究開辟了新的領(lǐng)域，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的驗(yàn)證產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

知識(shí)點(diǎn)Ⅱ：什么是脈沖信號(hào)

       這是人類發(fā)現(xiàn)的第4顆脈沖星的音頻，有著1.1878s的脈沖周期，這可是1968年5月9日的珍貴錄音，錄制這段音頻的望遠(yuǎn)鏡就是非常著名的位于波多黎各直徑300米的大型射電望遠(yuǎn)鏡“阿雷西博”（Aricebo），它一直是我們尋找外星人重要裝備，如果看過(guò)電影《007：黃金眼》的朋友一定印象深刻。在整個(gè)相對(duì)連續(xù)的信號(hào)周期內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生的信號(hào)就叫做脈沖，也可以表示為一個(gè)物理量在短持續(xù)時(shí)間內(nèi)突變后迅速回到其初始狀態(tài)的過(guò)程，就像我們?nèi)说拿}搏一樣。

人類發(fā)現(xiàn)的第4顆脈沖星的音頻

        想象一下，燈塔為什么是一閃一閃的？那是因?yàn)闊羲阅硞€(gè)周期穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，當(dāng)燈光束掃到你的時(shí)候就看到亮點(diǎn)，當(dāng)光束沒有掃到你的時(shí)候呈現(xiàn)出來(lái)就是暗的，所以就一閃一閃的。只不過(guò)，脈沖星并非或明或暗地閃爍發(fā)光，而是時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的無(wú)線電脈沖。因此，天文學(xué)家馬上就猜測(cè)，望遠(yuǎn)鏡所看到的這個(gè)周期性的脈沖信號(hào)就是暗示著一個(gè)天體正在自轉(zhuǎn)，當(dāng)這束無(wú)線電波掃過(guò)地球的時(shí)候，就被我們的射電望遠(yuǎn)鏡記錄下來(lái)了。許多脈沖星的射電輻射非常強(qiáng)，但可見光輻射卻非常弱，目前已知的幾千顆脈沖星全部都是肉眼不可見的。既然是電磁波，那就一定與磁場(chǎng)有關(guān)系，所以脈沖星的射電脈沖一定是來(lái)源于星體的磁極。跟地球一樣，地磁南北極一定是磁場(chǎng)最強(qiáng)的地方，但磁極與自轉(zhuǎn)軸并不完全重合。脈沖星擁有極其強(qiáng)大的磁場(chǎng)，地球有磁場(chǎng)大約是0.5-0.6高斯（1高斯=10-4特斯拉），太陽(yáng)的磁場(chǎng)總體也只有幾高斯，而大多數(shù)脈沖星的磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)1012高斯的磁場(chǎng)，也就是地球的1000億倍！

脈沖星燈塔模型（圖片來(lái)源：cms.kdis.edu.cn）

知識(shí)點(diǎn)Ⅲ：小而密

        人們發(fā)現(xiàn)脈沖星的脈沖周期都很短，也就意味著這個(gè)旋轉(zhuǎn)著的燈塔轉(zhuǎn)速非?？?。船帆座脈沖星的脈沖周期是89毫秒，相當(dāng)于1秒鐘轉(zhuǎn)11圈，這甚至超過(guò)了直升機(jī)旋翼的旋轉(zhuǎn)速度！迄今已觀測(cè)到的最慢的脈沖星的周期間隔也不過(guò)11.765735秒（編號(hào)為PSR-J1841-0456），而最快的脈沖星是2004年發(fā)現(xiàn)的（編號(hào)為PSR-J1748-2446），周期只有0.001396秒，即1.4毫秒一圈，或者說(shuō)是一秒鐘轉(zhuǎn)716次！這些毫秒級(jí)的脈沖星就被稱為毫秒脈沖星，它們是現(xiàn)在天文研究最前沿的內(nèi)容。

        脈沖星應(yīng)該是個(gè)恒星，那么它們?yōu)槭裁磿?huì)轉(zhuǎn)得那么快呢？物理學(xué)里有個(gè)非常重要的概念叫角動(dòng)量，是物體繞軸的線速度與其距軸線的垂直距離的乘積。根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，物體繞軸旋轉(zhuǎn)線速度越大，它距自轉(zhuǎn)軸的距離就越短。如果要讓太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)周期減少到只有100毫秒的話，它的直徑將只有幾十公里！然而實(shí)際上，絕大多數(shù)脈沖星直徑都只有20公里左右。

如果把脈沖星放到地球上僅僅相當(dāng)于一座城市大小，圖片中間是曼哈頓。（來(lái)源：spacefellowship.com）

知識(shí)點(diǎn)Ⅳ：宇宙最準(zhǔn)時(shí)鐘

        脈沖星不僅個(gè)頭小轉(zhuǎn)得快，而且自轉(zhuǎn)周期極為穩(wěn)定，因?yàn)樗鼛缀跬耆肯淖赞D(zhuǎn)能而彌補(bǔ)輻射出去的能量，因而自轉(zhuǎn)會(huì)逐漸放慢。但是這種變慢非常緩慢，以致于信號(hào)周期的精確度能夠超過(guò)原子鐘，從而成為整個(gè)宇宙走的最準(zhǔn)的鐘。在上世紀(jì)70-80年代，美國(guó)航天局發(fā)射了先驅(qū)者10號(hào)、11號(hào)，旅行者1號(hào)、2號(hào)，攜帶著一張鍍金鋁板，如先驅(qū)者號(hào)上的那塊鋁板上畫著一個(gè)男人和一個(gè)女人的形象。那個(gè)男人舉起右手正在打招呼，而右手邊有著好幾條線條，實(shí)際上那就是脈沖信號(hào)。這些是當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)的銀河系中的14個(gè)脈沖星，我們認(rèn)為脈沖星有著非常穩(wěn)定的脈沖周期，既然我們能測(cè)定這14個(gè)脈沖星，那么如果當(dāng)外星人的文明達(dá)到一定高度的話，他們的無(wú)線電技術(shù)，包括射電望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該也不是問(wèn)題，我們也完全有理由相信，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)空中的脈沖星。

先驅(qū)者號(hào)上攜帶的鍍金鋁板（來(lái)源：NASA）

        另外，有一個(gè)引力波研究項(xiàng)目正指望通過(guò)組建一個(gè)脈沖星網(wǎng)絡(luò)來(lái)探測(cè)低頻引力波。LIGO探測(cè)到兩個(gè)恒星級(jí)黑洞合并產(chǎn)生了引力波，那個(gè)震蕩頻率為300Hz。但如果是兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的并合，其產(chǎn)生的引力波頻率要低得多得多，納赫茲就是10-9Hz，換算成時(shí)間就是10億秒才振蕩一周，探測(cè)難度是相當(dāng)大的。研究人員認(rèn)為我們可以標(biāo)定許多個(gè)脈沖星，組成一張大網(wǎng)，就像蜘蛛網(wǎng)一樣，每一個(gè)脈沖星連著一條蛛絲，地球好比趴在蜘蛛網(wǎng)中央的大蜘蛛。蛛絲越多，探測(cè)的范圍和靈敏度越高。當(dāng)某個(gè)地方發(fā)生了星系級(jí)超大質(zhì)量黑洞的并合，就好比蜘蛛網(wǎng)上粘上了一只小蚊子，產(chǎn)生的引力波引起蜘蛛網(wǎng)的時(shí)空漣漪，脈沖星的信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)間就會(huì)發(fā)生變化，哪怕是極其細(xì)微的變化，因?yàn)楫吘顾旧碜叩姆浅?zhǔn)嘛。這種引力波產(chǎn)生的時(shí)空變化，就像蜘蛛網(wǎng)上發(fā)生的震動(dòng)，根據(jù)震動(dòng)的大小，地球這個(gè)大蜘蛛就知道產(chǎn)生“引力波”的獵物在哪個(gè)地方了。

地球好比位于蜘蛛網(wǎng)中央，每一個(gè)脈沖星連著一條蛛絲，蛛絲越多，探測(cè)的范圍和靈敏度越高。圖中綠色網(wǎng)格表示引力波引起的時(shí)空漣漪，白色光束表示脈沖星的無(wú)線電脈沖信號(hào)。引力波到達(dá)地球，地球就會(huì)像漂浮在水中的小球一樣擺動(dòng)，脈沖星的信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)間就會(huì)發(fā)生變化。（來(lái)源：天文茶餐廳 制圖: David Champion）