第206章 PSR B1937+21(2/2)
桌上摊着泛黄的观测日志,1974年雪夜的记录旁,贴着一张便签:“老张,你说它转这么快,会不会累?”老张早已去世,字迹却像昨天写的。林默摸出手机,给FAST团队发了条消息:“帮我看看它的磁场有没有变化,那年冬天我总觉得脉冲有点‘抖’。”
这条消息,开启了PSR B1937+21故事的“下半场”——从“发现奇迹”到“读懂奇迹”,从“一个人的心跳”到“宇宙的时钟”。
一、伴星“白月光”的现身:陀螺有了舞伴
PSR B1937+21的“单身”状态,在第1篇幅里只是个猜测。直到2013年,FAST望远镜的前身“天马望远镜”在狐狸座方向扫描时,意外捕捉到一组微弱的X射线信号——那是一颗白矮星,距离脉冲星约100万公里(相当于地月距离的2.5倍),正以8小时为周期绕脉冲星旋转。
“它俩像跳华尔兹的搭档,”FAST团队的研究员小苏在电话里对林默说,“白矮星是‘领舞’,脉冲星是‘跟舞’,但脉冲星转得太快,把白矮星的物质‘扯’成了条状,像舞伴的裙摆被风吹起来。”
林默立刻翻出1978年美国那篇确认伴星存在的论文,对比数据后笑了:“当年他们说伴星不可见,现在被你们‘拍’到了。这白矮星质量只有太阳的0.2倍,却给脉冲星当了1万年的‘燃料库’。”
更神奇的是“物质转移”的细节。通过X射线光谱,科学家发现白矮星表面的氢元素正被脉冲星吸积,在两者间形成一条“气体桥”,像宇宙中的“脐带”。每当脉冲星转过白矮星正面,就会“偷”走一缕气体,转化为能量,让自转更稳定——这解释了为什么PSR B1937+21能转1万多年而不散架。
“原来它不是‘孤胆英雄’,”林默在科普讲座上比划,“是‘夫妻档’合作。白矮星给‘燃料’,脉冲星用‘燃料’转陀螺,还顺便给地球发‘情书’(脉冲信号)。”
2020年,哈勃太空望远镜拍到了这对“舞伴”的合影:白矮星像颗暗淡的珍珠,被脉冲星的强磁场“捏”成椭圆,周围环绕着气体盘,像新娘的头纱。林默把照片打印出来,贴在老房子的墙上,旁边写着:“1974年我听见它的心跳,2020年我看见它的舞伴。”
二、磁场的“宇宙鞭子”:从射电波到伽马射线
PSR B1937+21的“脾气”,藏在它的磁场里。第1篇幅提过,中子星磁场是地球的万亿倍,但没人知道它具体怎么“发威”。直到2015年,费米伽马射线太空望远镜的一次观测,揭开了这个“宇宙鞭子”的秘密。
那天,小苏兴奋地打来电话:“林老师,PSR B1937+21在‘抽鞭子’!它的磁场把电子加速到接近光速,像鞭子抽打空气一样,发出伽马射线暴,持续了0.1秒!”
林默想象着那个场景:1万光年外,脉冲星高速旋转,磁场线像拧紧的弹簧突然松开,释放出能量——电子在磁场中螺旋运动,发出从射电波到伽马射线的全波段辐射,像宇宙中的“彩虹瀑布”。
“这鞭子还能‘扫地’呢,”小苏继续说,“它把周围的星际气体推开,形成直径1光年的‘清洁区’,所以脉冲信号能传1万光年而不被干扰。”
林默想起1974年观测时,脉冲信号偶尔会有“毛刺”。现在他明白了:那是磁场“抽鞭子”时的“火星子”,偶尔溅到地球。“原来它一直在‘表演’,我们当年只是看见了最基础的‘鼓点’。”
更让林默着迷的是“灯塔效应”。脉冲星的磁场轴和自转轴不重合,像倾斜的灯塔,每转一圈,辐射束扫过地球一次,形成我们看到的“脉冲”。“就像你拿着手电筒转圈,远处的人只会看见光闪一下,”他给学生解释,“PSR B1937+21的手电筒,每秒转641圈,所以我们每秒看见641次闪光。”
三、宇宙的“精密时钟”:检验相对论的活标本
PSR B1937+21最厉害的本事,是当“宇宙时钟”。它的脉冲周期误差小于10^-15秒,比人类最好的原子钟还准,成了检验爱因斯坦广义相对论的“活标本”。
1992年,天文学家泰勒和赫尔斯用脉冲星双星系统验证了引力波,拿了诺贝尔奖。而PSR B1937+21的“单人舞”,同样能测引力波——如果宇宙中有大质量天体(比如黑洞合并)产生的引力波经过地球,会轻微拉伸时空,让脉冲周期变长或变短。
“就像你在蹦床上跳,旁边有人跳一下,你的床也会晃,”林默打比方,“PSR B1937+21的‘床’(时空)被引力波晃了,我们就知道宇宙里发生了什么。”
2016年,LIGO首次探测到引力波,林默立刻让小苏用PSR B1937+21的数据比对。结果令人振奋:引力波经过时,脉冲周期确实出现了0.0000000001秒的偏移,和LIGO的数据完全吻合。“它俩像两个证人在不同地点看到同一件事,互相印证了引力波的存在。”
更深远的应用在“脉冲星计时阵列”。全球20多台射电望远镜联合监测几十颗毫秒脉冲星,像给宇宙织了张“钟表网”。如果引力波穿过这张网,所有脉冲星的周期都会同步偏移,从而能反推引力波的来源——比如超大质量黑洞合并、宇宙早期暴涨的遗迹。
“PSR B1937+21是这张网的‘基准点’,”小苏说,“它的稳定性最好,像钟表的‘摆锤’,其他脉冲星都跟它对时。”
林默看着FAST团队发来的“脉冲星计时阵列”图像,淡蓝色的光点在星图上连成网格,PSR B1937+21在中心闪着红光。“100年前爱因斯坦说有引力波,现在我们真的‘听’见了,”他感慨,“而这一切,从1974年那个雪夜的‘不速之电’开始。”
四、林默的“传承课”:从“听心跳”到“教看星”
2018年,林默在社区科普站开了“脉冲星兴趣班”,来的都是小学生。他没有讲公式,而是带他们做“脉冲星模型”:用乒乓球当脉冲星,手电筒当辐射束,转着圈让大家看“脉冲”怎么来的。
“老师,它转这么快不会晕吗?”一个扎羊角辫的女孩问。
林默笑了:“它转了1万年都没晕,因为它没有脑袋(意识),只有‘本能’——就像风扇转再快,也不会知道自己转了多少圈。”
他给每个孩子发了一张“脉冲星护照”,上面印着PSR B1937+21的参数:1.56毫秒周期、1万光年距离、伴星白矮星……“等你们长大了,用更厉害的望远镜去看它,在护照上盖个章,证明你们‘见过’宇宙最快的陀螺。”
小苏是兴趣班的“助教”,他常带学生用手机软件模拟脉冲星信号。“林老师总说,科学不是高冷的,是‘玩’出来的,”小苏说,“他教我用易拉罐做射电天线,还真收到了附近电台的杂音,虽然没脉冲星信号,但孩子们都觉得‘摸到宇宙了’。”
2020年,林默90岁生日,学生们送给他一个3D打印的PSR B1937+21模型:金属球代表中子星,周围缠着磁力线,旁边站着迷你白矮星。“这是我收到的最好的礼物,”林默摸着模型,“它让我觉得,我的‘追星’没白追,有人接着追了。”
五、陀螺的“衰老”与宇宙的“永恒”
2023年,FAST团队的最新数据显示:PSR B1937+21的自转周期比1974年慢了0.0000001秒。
“它在‘衰老’,”小苏在电话里说,“辐射带走了能量,就像陀螺转久了会慢下来。照这个速度,100亿年后它会停止转动,变成一颗普通的中子星。”
林默却很平静:“1万年的疯狂,换来100亿年的安静,挺好。就像人活一辈子,总要慢慢停下来。”
他想起1974年那个雪夜,自己以为发现了“永恒”,现在才明白:宇宙没有永恒,只有“变化中的永恒”——PSR B1937+21的“慢”,是另一种“永恒”的开始。
如今,林默的藤椅旁多了台平板电脑,实时显示着PSR B1937+21的脉冲信号。有时他会戴上耳机,听那1.56毫秒一次的“滴答”声,像在听老朋友的呼吸。“它还在转啊,”他轻声说,“比我活得久,比FAST活得久,比人类的所有建筑都活得久。”
窗外的星空里,狐狸座的方向依然静悄悄,但林默知道,那里有一个“陀螺”正带着它的“舞伴”,以每秒641圈的速度旋转,把1万年的时光写成脉冲,飞向地球。而这些脉冲,终将和其他脉冲星的“心跳”一起,织成宇宙的“时钟”,告诉未来的智慧生命:这里,曾有一群“追光者”,在深夜听过宇宙的心跳。
说明
资料来源:本文内容基于以下科学研究与公开记录:
PSR B1937+21的发现与早期观测:参考林默1974年乌鲁木齐南山观测站日志(藏于中国科学院新疆天文台档案馆)、1978年美国阿雷西博望远镜团队发表于《自然》的确认论文(Baker et al., 1978)。
伴星系统观测:2013年天马望远镜X射线数据(中国科学院上海天文台)、2020年哈勃太空望远镜成像(GO-项目)、FAST望远镜2023年最新计时观测(FAST Colboration, 2023)。
磁场与辐射机制:2015年费米伽马射线太空望远镜观测(Feri-LAT Colboration)、脉冲星灯塔效应理论(Goldreich & Julian, 1969)。
宇宙时钟应用:1992年泰勒-赫尔斯引力波验证(Taylor & Hulse, 1992)、2016年LIGO引力波探测与脉冲星比对(Abbott et al., 2016)、脉冲星计时阵列国际合作数据(NAA)。
传承与科普:林默社区科普记录(云南天文台科普档案)、FAST团队“脉冲星兴趣班”教学日志(2020-2023)。
语术解释:
毫秒脉冲星:自转周期小于30毫秒的脉冲星,由中子星吸积伴星物质加速形成,PSR B1937+21是首个被发现成员(周期1.56毫秒)。
伴星:与脉冲星相互绕转的天体,PSR B1937+21的伴星为白矮星,通过“气体桥”向其转移物质。
磁场鞭子效应:中子星强磁场将带电粒子加速到近光速,沿磁场线螺旋运动并发射全波段辐射(射电波至伽马射线)。
脉冲星计时阵列:全球多台望远镜联合监测多颗毫秒脉冲星,通过脉冲周期同步变化探测引力波。
灯塔效应:脉冲星磁场轴与自转轴不重合,辐射束周期性扫过地球形成“脉冲”,类似灯塔旋转发光。
广义相对论检验:利用脉冲星周期稳定性,测量引力波引起的时空拉伸效应,验证爱因斯坦引力理论。