流行文化脉冲星： Joy Division《未知乐趣》专辑封面背后的科学

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点

今年早些时候，我报道了我探寻Joy Division《未知乐趣》专辑封面故事背后故事的谜底。唱片上堆叠的曲线图最初是由射电天文学家哈罗德·D·克拉夫特（Harold D. Craft, Jr.）在他的博士论文《十二颗脉冲星的脉冲轮廓和色散测量的射电观测》（1970年9月）中创建的。

当人们提到数据可视化时，他们通常只是说它显示了首次发现的脉冲星的一系列射频周期。但这意味著什么？什么是脉冲星，如何解读堆叠的曲线图，数据又是如何收集的？

什么是脉冲星？

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第一颗脉冲星于1967年被确认，其定义在接下来的一年左右不断演变，因为科学家们试图根据迅速积累的观测结果来解决早期的预测。现在，人们普遍认为脉冲星是一种特定类型的 中子星——恒星死亡的三种结果之一。

当一颗像我们太阳一样大小的恒星耗尽燃料时，它的外层会被抛射出来，形成绚丽的星云，而核心则向内坍缩成一颗 白矮星，通常注定会随着时间推移而冷却和消退（左图，在下图中）。当一颗至少是我们太阳质量20倍的超巨星耗尽燃料时，它会突然坍缩，这会引发超新星爆发，并可能导致 黑洞的形成（右图）。质量小于约20个太阳质量但比我们太阳重几倍的恒星，可以通过产生超新星来结束其生命，超新星会留下一个小的、致密的核心，而不是黑洞。引力将物质紧紧地压在一起，质子和电子结合形成中子。结果就是中子星——质量大约等于我们太阳的质量，被压缩成一个直径仅约20公里 的极其密集的球体（中间）。

中子星在1934年被提出。但是，当时观测到中子星的想法是不可思议的，因为它们非常小，而且尽管能量很高，但发出的光却非常少。但事实证明，许多中子星会发出其他可探测的信号。

爆炸性诞生的巨大能量和极其致密的核心可以为强大的磁场奠定基础。磁轴可能与旋转轴严重错位。当恒星旋转时，它会发出射电束，这是磁场和旋转的综合效应产生的，射电束会像灯塔的光束一样周期性地扫过周围的空间。

这些磁性极强且快速旋转的中子星被称为脉冲星。如果方向合适，每次旋转，发射束都会扫过地球一次。

但是，如下面动画所示，堆叠曲线图中的脉冲是不规则的，而不是干净的钟形曲线。

包括乔安娜·兰金（Joanna Rankin）在内的几位研究人员提出，脉冲形状的变化可能是由于发射锥内部的变化造成的。这里有一些理想化的形式，但模式可能会因其他热点和太阳风的干扰而进一步复杂化。

尽管脉冲与脉冲之间肯定存在差异，但大约一分钟内的平均形状会形成一个特征形式，每个脉冲星的特征形式都不同。

尽管中子星作为这些射电信号的起源的想法很早就被接受了，但灯塔光束机制只是关于可能导致规则信号模式的几种早期想法之一。在安东尼·休伊什（Anthony Hewish）在他1968年发表在《大众科学》上的文章中描述的另一个竞争性想法中，恒星的脉动表面会产生大气冲击波，从而触发地球上的射电望远镜可以探测到的无线电波爆发。这种假设以及其他几种假设最终都被否定了。

如何解读堆叠曲线图？

让我们看一下完整的曲线图（下图）。每条线的时间从左到右读取，连续的脉冲从下到上堆叠。峰值代表相对较强的射电信号。此特定曲线图显示的是在318兆赫频率下收集的数据。

下面的动画演示了该概念，但时间不正确。脉冲每1.337秒发生一次，但仅持续约百分之四秒。此处显示的脉冲形状在水平方向上拉伸了很多。

在早期发现期间如何收集脉冲星数据？

第一颗脉冲星——被确认为脉冲星——于1967年由在英国剑桥郡马拉德射电天文台建造的4.5英亩阵列探测到。该望远镜由项目负责人安东尼·休伊什（Anthony Hewish）设计，旨在探测行星际闪烁，以了解更多关于类星体的信息。行星际闪烁在概念上类似于您在仰望夜空时看到的星星闪烁，但指的是无线电波（而不是可见光）在穿过太阳风时发生的闪烁。该阵列由2,000多个偶极天线与传输线连接而成。偶极子是固定的。地球的自转使整个阵列从西向东扫描天空。

博士生乔斯林·贝尔操作了该望远镜并分析了数据——每天产生约96英尺的图表纸——记录在四台三轨“Rapidgraph”笔式记录仪上。这就是引起她注意的模式类型（下图）。这与她在团队类星体研究过程中寻找的任何闪烁模式都不同。

规则的闪烁不是校准标记。那些是在大约一分钟的时间间隔内，大约每秒信号都会向上跳动，并且在连续几天的大约同一时间出现。对局部干扰进行了调查并被排除（通过来自另一台望远镜和其他方式的确认），并且越来越明显的是，信号确实起源于太空。研究小组曾短暂地考虑过该信号可能来自外星文明的想法，但当在天空的其他部分发现另外3个类似信号源时，这种解释被否定了。

射电天文学并不是什么新鲜事物，那么为什么脉冲星信号没有更早被识别出来呢？像马拉德的阵列这样大小的偶极子阵列针对长波长和定期进行的广阔天空调查进行了优化。它们更有可能接收到信号并将其识别为规则且持久的信号，而不是异常信号，或将其视为噪声而被忽略。

一旦发布了发现公告并发表了初步结果，世界各地的射电望远镜（包括波多黎各的阿雷西博天文台）就将注意力集中在先前确定的脉冲星坐标的位置，并开始搜索更多脉冲星。

弗兰克·德雷克（Frank Drake）（阿雷西博天文台1966-1968年主任，以及康奈尔大学天文系主任至1971年）建议几位在阿雷西博工作的博士生利用他们掌握的强大工具，将注意力转向新确定的天体。克拉夫特专注于脉冲形状，以努力阐明发射机制；以及色散，以了解更多关于这些发射如何在脉冲星和地球之间转移的信息。（您可以在我之前在本博客上发布的文章“流行文化脉冲星，Joy Division《未知乐趣》专辑封面的起源故事”中听到克拉夫特谈论阿雷西博和他的论文）。克拉夫特后来成为天文台主任（1973-1982年）和康奈尔大学名誉副校长。

在仔细研究康奈尔大学珍稀手稿收藏部的论文后，我被当时来自阿雷西博的各种脉冲星数据可视化所震撼，包括来自唐纳德·查尔斯·贝克尔（Donald Charles Backer）的这些热图（下图）。每一行都是连续的脉冲，从浅灰色表示微弱的射电信号强度，到黑色表示较强的信号。

后记

我应该注意到，脉冲星研究仍然是一个活跃的领域。您可能在今年早些时候的新闻中听说，一颗围绕另一颗致密恒星紧密轨道运行的脉冲星正在帮助科学家测试爱因斯坦关于引力、空间和时间之间关系的理论。并且脉冲到达时间正被用于更多地了解引力波。

尽管射电望远镜在收集脉冲星数据方面仍然发挥着重要作用，但结合来自光谱不同部分的信息的努力正在产生像这样的图像（下图）。在这里，NASA的NuSTAR任务探测到的X射线揭示了位于星系梅西耶82中心的一颗脉冲星（粉红色）。（M82与大熊座星座有关，距离1200万光年。）

可视化，例如这个超新星及其中心原始中子星的模拟图（粉红色球体，下图），正在帮助科学家更多地了解脉冲星是如何形成的。

确实令人回味。但值得做专辑封面吗？这还有待观察。

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有关脉冲星的更多信息，请查看耶利米·P·奥斯特里ker（Jeremiah P. Ostriker）在1971年1月《大众科学》上发表的《脉冲星的本质》；《天空中的时钟：脉冲星的故事》，作者杰夫·麦克纳马拉（Geoff McNamara）；以及BBC上对乔斯林·贝尔·伯内尔（Jocelyn Bell Burnell）的采访。要了解更多来自哈尔·克拉夫特（Hal Craft）和弗兰克·德雷克（Frank Drake）的信息，请收听康奈尔大学的“阿雷西博天文台口述历史”系列节目。

本文的变体版本于2015年10月8日在VISUALIZED上首次发布。